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Solarkollektoren im Überblick

Wie funktionieren Solarkollektoren? Welche Arten gibt es? Wann lohnt sich welcher Kollektor?

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Wirkungsweise und Aufbau eines Kollektors

Modell eines Absorbers in einem Vakuumröhrenkollektor (Foto: energie-experten.org)
Modell eines Absorbers in einem Vakuumröhrenkollektor (Foto: energie-experten.org)

Wichtiger Bestandteil eines Solarthermie-Kollektors sowohl des Flachkollektors als auch des Röhrenkollektors ist der Absorber. Hier erfolgt die Umwandlung der Solarstrahlung in Solarthermie. Der Absorber besteht aus Metall (Aluminium, Kupfer oder Edelstahl) und ist mit einer dunklen, sog. "selektiven" Beschichtung überzogen, um die Solarstrahlung besser absorbieren zu können. Die Oberfläche des Solarabsorbers bewirkt durch ihre besondere Struktur ein hohes Absorptionsvermögen im sichtbaren Bereich und gleichzeitig eine geringe Emission der infraroten Wellen der Wärmestrahlung. Die erzeugte Wärme wird dann von der Solarflüssigkeit des Solarkollektors aufgenommen und durch am Absorberblech angebrachte Rohre abtransportiert.

Solarthermie-Flachkollektoren

Solarthermie-Flachkollektor aufgeständert auf einem Flachdach (Foto: energie-experten.org)
Solarthermie-Flachkollektor aufgeständert auf einem Flachdach (Foto: energie-experten.org)

Flachkollektoren sind die am häufigsten in Deutschland verwendeten Solarthermie-Kollektoren. Beim Flachkollektor liegt der Absorber in einem meist aus Aluminium, teilweise auch aus Stahlblech, Kunststoff oder Holz gefertigten Flachkollektor-Gehäuse. Dieses ist mit einer Abdeckung aus innen leicht strukturiertem Sicherheitsglas verschlossen, um Wärmeverluste durch Konvektion und Strahlung zu reduzieren. Die Lichtdurchlässigkeit ist dabei dem solaren Spektrum der diffusen und direkten Solarstrahlung angepasst. Um Wärmeverluste an der Rückseite und an den Rändern des Solarthermie-Flachkollektors zu reduzieren, sind dort zusätzliche Wärmedämmungen angebracht. Niedertemperatur-Flachkollektoren (NT-Kollektoren) arbeiten mit einer Temperatur bis zu 100 °C und werden vorwiegend zur Trinkwassererwärmung und teilweise auch für die Raumheizungsunterstützung eingesetzt.

Solarthermie-Röhrenkollektoren

Solaranlage mit Vakuumröhrenkollektoren (Foto: energie-experten.org)
Solaranlage mit Vakuumröhrenkollektoren (Foto: energie-experten.org)

Röhrenkollektoren sind die in Deutschland am zweithäufigsten verbreiteten Solarthermie-Kollektoren. Ein Röhrenkollektor besteht aus mehreren evakuierten Glasröhren, in denen jeweils ein Absorberstreifen eingehängt ist. Daher werden Röhrenkollektoren auch Vakuumröhrenkollektoren genannt. Etwa 5 bis 20 dieser Glasröhren werden über ein Sammelrohr an den Kollektorkreis angeschlossen. Durch die unterbundene Luftbewegung im Gehäuse werden Konvektionsverluste zwischen dem heißen Solarthermie-Absorber und dem Deckglas vermieden. Im Vergleich zu Flachkollektoren werden die Wärmeverluste so vor allem bei niedrigen Außentemperaturen deutlich reduziert. Gerade im Winter erzielt ein Röhrenkollektor so einen höheren Solarertrag als ein Flachkollektor. Somit reduziert sich die benötigte Solarthermie-Kollektorfläche, um den gleichen Solarthermie-Ertrag zu erzielen.

Thermosiphonkollektor

Flachkollektor mit Warmwasserspeicher als Thermosiphonanlage (Foto: energie-experten.org)
Flachkollektor mit Warmwasserspeicher als Thermosiphonanlage (Foto: energie-experten.org)

Sogenannte Thermosiphonkollektoren sind im Grunde genommen Solarwärmeanlagen bestehend aus einem Kollektor und einem Speicher. Der Speicher ist allerdings nicht unterhalb des Kollektors sondern oberhalb installiert. Daher kommt auch der Name, der quasi einen thermischen Siphon beschreibt. Dieses Schwerkraft-Umlauf-Prinzip bedeutet, dass das durch Sonneneinstrahlung im Kollektor erwärmte Wasser nach oben in einen Solarthermie-Speicher steigt und von dort entnommen werden kann. Öffnet man das Entnahmeventil des Speichers, drückt das Frischwasser das Warmwasser aus dem Speicher und füllt diesen gleichzeitig wieder auf. Wird kein Wasser entnommen, so sinkt das abgekühlte Wasser im Speicher nach unten und fließt durch dessen unteren Auslass wieder zurück in den Solarthermie-Kollektor, um dort wieder erwärmt zu werden. Während Flachkollektoren mit einem vom Speicher getrennten Kreislauf arbeiten, funktionieren Thermosiphonanlagen mit einem geschlossenen Solarkreislauf, der nur vom Brauchwasser durchflossen wird.

Hybridkollektor

Rückseite des PVT-Moduls PVT 80 von Valvo (Foto: Valvo GmbH)
Rückseite des PVT-Moduls PVT 80 von Valvo (Foto: Valvo GmbH)

In der Regel versteht man unter Hybridkollektoren eine technische Kombination eines PV-Moduls und einem Solarkollektors. Die Solarwärme wird dabei auf unterschiedliche Arten "eingesammelt". So gibt es Hybridkollektoren, die die unter den Solarzellen entstehende Wärme an eine Solar weiterleiten, die diese Wärme zum Wärmespeicher transportiert, und Kollektoren, die die Luftwärme sammeln und weiterleiten. Teilweise werden jedoch auch Kollektoren als hybrid bezeichnet, die ausschließlich Wärme, jedoch auf unterschiedliche Arten sammeln. So werden hier Techniken angeboten, die neben dem eigentlichen mit Solarflüssigkeit durchströmten Kollektor noch ein zusätzliches Gebläse besitzen, um bei geringer Sonneneinstrahlung Wärme an den Wärmetauscher des Kollektors zu führen.

Solarabsorber

Solar-Luftabsorber von Viessmann (Abbildung: Viessmann Werke)
Solar-Luftabsorber von Viessmann (Abbildung: Viessmann Werke)

Ein Solarabsorber ist ein sehr einfach von einer Glykolmischung durchströmter Plastikröhren-Kollektor, der vor Allem im Sommer genutzt wird, um Wärme für größere Abnehmer bereitzustellen. Solarabsorber werden daher häufig zur Beheizung von Pools oder auch größeren Schwimmbädern eingesetzt. Sie können allerdings auch in Kombination mit einer Wärmepumpe genutzt werden und - meistens Teile - des Wärmequellentauschers substituieren. Solarabsorber gibt es aufgrund ihres einfachen Aufbaus auch in unterschiedlichsten Formen als Rippenrohr-Kollektor aber auch als sogenannten Energiezaun oder auch als Energiekegel.

Solar-Luft-Kollektor

SolarVenti SV30 Luft-Solarkollektor (Foto: Holger Steffen - Soluko Solare Luftkollektoren / www.soluko.de)
SolarVenti SV30 Luft-Solarkollektor (Foto: Holger Steffen - Soluko Solare Luftkollektoren / www.soluko.de)

Ein Solar-Luftkollektor funktioniert ähnlich wie ein normaler Sonnenkollektor. Anstelle einer Solarflüssigkeit, die die Solarwärme des Kollektors aufnimmt, wird die Wärme jedoch an einen durch Röhren unter dem Kollektor hindurch strömenden Luftstrom aufgenommen. Dieser wird dann durch eine thermische Bewegung in die Räume weitergeleitet. Teilweise sorgt auch ein Lüfter dann dafür, die Warmluft in die Lüftungsverteilung des Hauses zu blasen. Basierend auf diesem Prinzip sind Solar-Luft-Kollektoren geeignet, eine Warmluftheizung oder in Kombination mit einer Wärmepumpe und einem Eisspeicher eine Warmwasser-Heizung zu unterstützen

Fassaden-Luftkollektor

Fassade mit Elementen der Solar-Luftheizung SolarWall (Grafik: ArcelorMittal)
Fassade mit Elementen der Solar-Luftheizung SolarWall (Grafik: ArcelorMittal)

Ein spezielles Fassadensystem zur Solarwärmegewinnung stellt das SolarWall-System dar. Der Solar-Kollektor besteht aus einem beschichteten, perforierten Stahlprofilblech. Diese „solaraktive“ Wand wirkt als einfacher und robuster Luftkollektor, der die erwärmte Luft sammelt. Wo das Sonnenlicht auf die Stahl-Oberfläche trifft, wird Energie absorbiert, die die Oberfläche aufheizt und eine thermische Grenzschicht bildet. Die erwärmte Luftschicht wird dann durch die perforierte Oberfläche auf die Rückseite des Fassaden-Kollektors gesaugt und in das Belüftungssystem des Gebäudes eingespeist.

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"Solarkollektoren im Detail erklärt" wurde am 14.03.2016 das letzte Mal aktualisiert.