Technik von Flach-, Röhren- und Schwimmbad-Solarabsorbern im Überblick

Mit dem Begriff Solarabsorber wird ein Bauteil eines Solarthermie-Kollektors bezeichnet. Weil der Absorber die auf den Kollektor treffende Solarenergie in nutzbare Wärme (Warmwasserbereitung, Heizungsunterstützung) wandelt, gilt er auch als das Herz des Kollektors. Ein Solarabsorber besteht aus einem Metall (Aluminium, Kupfer oder Edelstahl), dass so beschichtet ist, dass möglichst viel der Sonnenstrahlung absorbiert und zugleich möglichst wenig davon reflektiert wird. Je nach Kollektortyp (Flachkollektor, Röhrenkollektor, Vakuumröhrenkollektor und andere) ist der Absorber entsprechend gebaut: Man unterscheidet unter anderem Flächenabsorber, Röhrenabsorber, Luftabsorber und Schwimmbadabsorber.

Der Solarabsorber gilt als das wichtigste Bauteil eines Solarthermie-Kollektors. Der wiederum ist das Herzstück einer Solarthermie-Anlage, mit der sich die auf ihn auftreffende Solarenergie in solare Wärme (Solarthermie) umwandeln lässt, um damit

• Brauchwasser solar zuzubereiten und/oder die
• Heizung solar zu unterstützen.

Die Umwandlung der Sonnenenergie in nutzbare Wärmeenergie ist die Aufgabe des Bauteils Solarabsorber. Das lateinische Wort absorbere lässt sich mit „aufsaugen“ ins Deutsche übertragen. Der Solarabsorber „saugt“ demnach die Solarenergie auf und macht daraus thermische Energie (Wärme).

Die wird an eine in der Solaranlage zirkulierende Solarflüssigkeit (klares Wasser oder ein Wasser-Frostschutzmittelgemisch) weitergegeben und von dieser per Wärmetauscher zu einem Wärme- bzw. Pufferspeicher transportiert, wo sie entweder direkt verbraucht oder bis zum Abruf seitens der Wärmeverbraucher (Zapfstellen für Warmwasser in Küche und Bad und/oder Heizung) zwischengelagert (gepuffert) wird.

Der Begriff Solarthermie bezeichnet die Energieform solare Wärme (Thermie) und die Technologie zur Wärmeerzeugung aus Solarenergie zugleich. Mit der Entwicklung der Solarthermie-Technik haben sich unterschiedliche Solarabsorber bewährt.

Der Oberbegriff Solarabsorber wird in der alltäglichen Sprache häufig synonym für eine spezifische Anwendung verwendet wird: den sogenannten Schwimmbadabsorber. Das heißt, dass Sie auf der Suche nach einem Solarabsorber besonders oft auf Schwimmbadabsorber stoßen und umgekehrt:

Wer nach der spezifischen Anwendungstechnik Schwimmbadabsorber sucht, sieht sich besonders oft mit Solarabsorbern unterschiedlichster Art konfrontiert. Der Schwimmbadabsorber ist aber nur einer von vielen Solarabsorbern, die es inzwischen in unterschiedlichster Ausführung und Anwendungen gibt.

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Die folgende Grafik macht den Aufbau eines flachen Solarthermie-Kollektors mit einem entsprechend flach ausgelegten Solarabsorber (in Form eines sogenannten Flächenabsorbers) deutlich.

Der Solarabsorber sitzt in diesem Flachkollektor unter einer Glasabdeckung. Treffen darauf Sonnenstrahlen (gelbe Pfeile), dringen diese bis zum Absorber vor und werden von diesem zum Großteil absorbiert.

Ein Teil der Strahlen wird als Wärme an die Luft zwischen Glasscheibe und Absorber weitergeleitet und durchdringt die Glasabdeckung auch wieder nach außen (rote Pfeile). Die Glasscheibe und die dahinter liegende Luftmasse dienen hier als Schutz vor Wind und Wetter einerseits sowie andererseits vor unerwünschten Wärmeverlusten.

Hierbei gilt: Je weniger der Solarstrahlung aufgrund von direkter und indirekter Reflektion sowie Wärmeabstrahlung für die Umwandlung in nutzbare Wärme verloren geht (Wärmeverluste), desto besser.

Ein qualitativ hochwertiger Solarabsorber absorbiert einen möglichst breiten, wenn nicht den gesamten Spektralbereich des Solarlichts – 95 Prozent Wirkungsgrad sind keine Seltenheit.

Eine Maßnahme, um die Wärmeverluste des Kollektors zu minimieren, ist dessen allseitige Isolation (außer in Richtung Sonne), die in der Grafik oben grün markiert ist. Direkt unter dem Absorber befindet sich eine Vorrichtung mit Röhren, durch die der kalte Vorlauf (blaue Rohrquerschnitte) und der solar erwärmte Rücklauf (rote Rohrquerschnitte) innerhalb des Solarkreislaufs (solarer Heizkreis) strömen.

In einem Röhrenkollektor sitzt der Absorber (Röhrenabsorber) hingegen in einer Glasröhre. Der Solarabsorber kann unterschiedlich geformt sein: Zum Beispiel als beschichteter Blechstreifen. In einem modernen Vakuum-Röhrenkollektor, der wie eine Thermoskanne aus zwei miteinander konzentrisch verschmolzenen Glasröhren besteht, wobei der Raum zwischen den Glasröhren evakuiert ist, so dass er als Dämmung wirkt, bildet der Solarabsorber eine Schicht auf der inneren der zwei Glasröhren. Ein Wärmerohr (Heatpipe) ragt in diese „Thermoskanne“ und nimmt die Wärme auf. Es wird von der Solarflüssigkeit (Wärmeüberträgermedium) durchströmt.

Der Solarbsorber ist deshalb aus Metall, da sich im Kollektorinneren hohe Temperaturen einstellen und Kunststoff diesen nicht lange standhalten würde: In Flachkollektoren stellen sich, ohne das Wärme entnommen wird, 200 Grad Celsius (°C) und in Vakuumröhrenkollektoren 300 °C ein. Man unterscheidet Solarabsorber nach ihrer Bauform in

• die gängigeren sogenannte Fahnenabsorber (mit aufgelötetem Rohr aus Kupfer, aufgeschweißtem Rohr aus Kupfer, aufgeklebten Rohr aus Kupfer, eingepresstem Rohr aus Kupfer oder sogenanntem Aluminium Rollbond)
• und die selteneren sogenannten Kissenabsorber.

Auf das Absorberblech, Fahnen samt Rohr bzw. Kissen, ist die eigentliche Absorberschicht aufgebracht, die nur eine Schichtdicke (Stärke) von wenigen Zehntelmillimetern hat. Die Absorberschicht besteht zum Beispiel aus metallischen Filmen aus

• Schwarznickel,
• Cermet (so wird ein Verbundwerkstoff aus Keramik (Ceramic) und einer metallischen Matrix bezeichnet) oder
• Tinox (Kurzbezeichnung für die Verbindung Titan-Nitrid-Oxid).

Die Verfahren zur Aufbringung der Absorberschicht sind unterschiedlich, zum Beispiel galvanische Abscheidung, Elektronenstrahlverdampfen oder sogenanntes Sputtern unter Vakuum. Letzteres ist eine Methode, bei der die Metallfilme in etwa zwölf Einzelbedampfungen aufgebracht werden.

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Häufig werden mit dem Begriff "Solarabsorber" Techniken zur solaren Pool- bzw. Beckenwassererwärmung in Verbindung gebracht. Im Gegensatz zu einem Solarabsorber in Flach- und Röhren-/Vakuumröhrenkollektoren ist ein Solarabsorber für Pool und Schwimmbad ein sogenannter volldurchströmter Absorber.

Die dazu eingesetzten Plastik-Kollektoren sind sehr einfach aus Plastikröhren bzw. als zu einer Plastikmatte ("Solarmatte") verbundenen Kunststoffrohren aufgebaut. Eine zusätzliche Isolierung der Rohre nicht notwendig.

Die Plastikrohre selbst bestehen in der Regel aus Kunststoff (Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder Ethylen-Propylen-Dien-Monomeren (EPDM)) und sind im einfachsten Fall ein schwarzes Kunststoffrohr. Das Prinzip gleicht der Wassererwärmung in einem schwarzen Gartenschlauch in der Sonne.

Der Kunststoff der Rohre bzw. Schläuche muss letztlich sicherstellen, dass der Schwimmbadabsorber der von außen auftreffenden UV-Strahlung ebenso widerstehen kann wie das ihn substantiell von innen angreifende Chlor im Schwimmbadwasser, das ihn direkt durchströmt.

Das Wirkprinzip ist denkbar einfach: Die Sonne erwärmt den schwarzen Kunststoff und der wiederum das ihn durchströmende Schwimmbadwasser. Die Rohre bzw. Kunststoffrohrmatten werden gemäß der Wassermenge des zu erwärmenden Schwimmbads dimensioniert und zwecks maximalen Empfangs von Solarstrahlung großflächig in der Sonne ausgelegt. Das geht zum Beispiel auf dem Dach eines Gebäudes oder einer ebenerdigen Fläche (Wiese).

Die Schwimmbadabsorber werden an sonnigen Stellen meist ebenerdig oder auf Flachdächern ausgelegt und z.B. mit Haltegurten auf dem Untergrund befestigt. Sie eignen sich auch zur Montage auf leicht geneigten Dachflächen.

Solarabsorber werden in der Regel zur direkten Erwärmung von Außenbecken und Freibädern eingesetzt, da im Sommer genügend Strahlungsenergie bei einer ausreichend hohen Umgebungstemperatur vorliegt, um die Sonnenenergie direkt zur Erwärmung des Solarabsorbers einzusetzen. Das Poolwasser durchströmt dann direkt die schwarzen aus UV- und chlorbeständigem Kunststoff bestehenden Absorberschläuche und wird dabei vom aufgeheizten schwarzen Plastikschlauch erwärmt.

Bei kleineren Anlagen reicht die ohnehin vorhandene Filterpumpe aus, bei größeren Anlagen sorgt eine extra Solarpumpe für die nötige Zirkulation des Wassers durch die Solarabsorberflächen. Beim Umwälzen des Wassers werden rund 10 bis 15% der Durchflussmenge zum Durchströmen des Absorberfelds genutzt.

Die Arbeitstemperatur von 30 bis 40 °C reicht aus, um das Wasser im Schwimmbecken um 2 bis 4 °C zu erwärmen. In der Regel reichen 0,8 m² Absorberfläche pro 1 m²Wasserfläche. Die erforderliche Fläche an Solarabsorbern entspricht je nach Standort, Nutzungszeitpunkt und -dauer und Beckentemperatur - der halben bis ganzen Beckenfläche.

Entscheidend für die Wassertemperatur ist das Verhältnis von Beckengröße und Absorberfläche. Es lassen sich bereits angenehme Temperaturen mit Solarabsorbern erreichen, die nur halb so groß sind wie die Wasseroberfläche des zu beheizenden Pools.

Beim Einsatz von Kunststoff-Absorbern entfällt die Notwendigkeit eines zusätzlichen Wärmespeichers. Diese Funktion übernimmt das Wasser im Schwimmbecken. Ein Solarregler mit Temperaturfühlern an Vorlauf und Absorber kann den automatischen Betrieb der Anlage steuern helfen. Im Winter müssen direktdurchströmte Solarabsorber vollständig entleert werden.

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