Sonnenkollektor

Wasserheizsystem auf einem Flachdach. Die Rohre, die die Wärme abführen, sind in den Absorber, eine flache, schwarz lackierte Platte, eingebettet. In diesem Beispiel wird die Wärme in dem Tank über den Platten gespeichert. ⓘ

Ein solarthermischer Kollektor sammelt Wärme durch Absorption von Sonnenlicht. Der Begriff "Solarkollektor" bezieht sich in der Regel auf ein Gerät zur solaren Warmwasserbereitung, kann sich aber auch auf große Stromerzeugungsanlagen wie Solarparabolrinnen und Solartürme oder auf Geräte, die nicht der Warmwasserbereitung dienen, wie z. B. Solarluftheizungen, beziehen. ⓘ

Solarthermische Kollektoren sind entweder nicht-konzentrierend oder konzentrierend. Bei nicht konzentrierenden Kollektoren ist die Aperturfläche (d. h. die Fläche, die die Sonnenstrahlung empfängt) etwa gleich groß wie die Absorberfläche (d. h. die Fläche, die die Strahlung absorbiert). Ein gängiges Beispiel für ein solches System ist eine Metallplatte, die mit einer dunklen Farbe gestrichen ist, um die Absorption des Sonnenlichts zu maximieren. Die Energie wird dann durch Kühlung der Platte mit einer Arbeitsflüssigkeit, häufig Wasser oder Glykol, in an der Platte befestigten Rohren gesammelt. ⓘ

Konzentrierende Kollektoren haben eine viel größere Öffnung als die Absorberfläche. Die Öffnung hat in der Regel die Form eines Spiegels, der auf den Absorber fokussiert ist, bei dem es sich in den meisten Fällen um die Rohre handelt, durch die die Arbeitsflüssigkeit fließt. Aufgrund der Bewegung der Sonne während des Tages benötigen konzentrierende Kollektoren oft eine Art von Sonnennachführsystem und werden aus diesem Grund manchmal auch als "aktive" Kollektoren bezeichnet. ⓘ

Nicht konzentrierende Kollektoren werden in der Regel in Wohn-, Industrie- und Gewerbegebäuden für die Raumheizung eingesetzt, während konzentrierende Kollektoren in konzentrierenden Solarkraftwerken Strom erzeugen, indem sie eine Wärmeträgerflüssigkeit erhitzen, die eine mit einem Stromgenerator verbundene Turbine antreibt. ⓘ

vorne: Sonnenkollektoren auf dem Dach der Universität Speyer; dahinter Photovoltaikanlage ⓘ

Solarthermiekollektoren des Wärmeverbundes Marstal als Freiflächenanlage ⓘ

Ein Sonnenkollektor oder auch Solarkollektor (lateinisch sol „Sonne“ und colligere „sammeln“), auch thermischer Solarkollektor (thermischer Sonnenkollektor), wandelt Sonnenstrahlung in Wärmeenergie um. Die Wärme kann zur Heizung, Kühlung, zur Wasserdesinfektion, -entsalzung usw. verwendet werden. Solarkollektoren sind Teil einer thermischen Solaranlage. ⓘ

Installiert werden können Solarkollektoren sowohl auf Gebäudedächern als auch als Freiflächenanlagen. Freiflächenanlagen werden insbesondere in Form von Großanlagen als Kernelement von solaren Fernwärmesystemen eingesetzt. In den Kollektoren wird meist ein flüssiger Wärmeträger (Öl, Wasser) aufgeheizt. Solarkollektoren, die Luft erwärmen, nennt man Luftkollektoren. ⓘ

Zu den Sonnenkollektoren werden zuweilen auch Solarteiche gezählt, bei denen die Sonnenstrahlung eine wässrige Salzlösung aufheizt, die unter einer Süßwasserschicht liegt. Dagegen werden Vorrichtungen zur Gewinnung von elektrischer Energie in Photovoltaikanlagen nicht als Solarkollektor, sondern als Solarmodule bezeichnet. ⓘ

Solarthermische Kollektoren zur Wassererwärmung

Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren werden hauptsächlich zur Wärmegewinnung für die Raumheizung, die Warmwasserbereitung oder die Kühlung mit einer Absorptionskältemaschine verwendet. Im Gegensatz zu solaren Warmwasserkollektoren verwenden sie eine zirkulierende Flüssigkeit, um die Wärme in einen separaten Speicher zu leiten. Der erste solarthermische Kollektor für Gebäudedächer wurde von William H. Goettl patentiert und als "Solarwärmekollektor und Radiator für Gebäudedächer" bezeichnet. ⓘ

Evakuierte Flachkollektoren sind eine neuere Innovation und können für Solarwärme zur industriellen Kühlung (SHIC) und solare Klimatisierung (SAC) eingesetzt werden, wo Temperaturen von über 100 °C (212 °F) erforderlich sind. Diese nicht konzentrierenden Kollektoren nutzen sowohl diffuses als auch direktes Licht und können Dampf anstelle von Wasser als Flüssigkeit verwenden. ⓘ

Flachkollektoren

Zwei Flachkollektoren nebeneinander ⓘ

Flachkollektoren sind die am weitesten verbreitete solarthermische Technologie in Europa. Sie bestehen aus (1) einem Gehäuse, das (2) eine dunkle Absorberplatte mit Flüssigkeitszirkulationskanälen und (3) eine transparente Abdeckung enthält, die die Übertragung der Sonnenenergie in das Gehäuse ermöglicht. Die Seiten und die Rückseite des Gehäuses sind normalerweise isoliert, um den Wärmeverlust an die Umgebung zu verringern. Eine Wärmeübertragungsflüssigkeit zirkuliert durch die Flüssigkeitskanäle des Absorbers, um die Wärme aus dem Solarkollektor abzuführen. In tropischen und subtropischen Klimazonen ist die Zirkulationsflüssigkeit in der Regel Wasser. In Klimazonen, in denen mit Frost zu rechnen ist, kann anstelle von Wasser oder in einer Mischung mit Wasser eine Wärmeträgerflüssigkeit ähnlich einer Frostschutzlösung für Kraftfahrzeuge verwendet werden. Wird eine Wärmeträgerflüssigkeit verwendet, wird in der Regel ein Wärmetauscher eingesetzt, um die Wärme von der Flüssigkeit des Solarkollektors an einen Warmwasserspeicher zu übertragen. Die gängigste Absorberkonstruktion besteht aus Kupferrohren, die mit einem Metallblech mit hoher Leitfähigkeit (Kupfer oder Aluminium) verbunden sind. Auf der der Sonne zugewandten Seite des Absorbers wird eine dunkle Beschichtung aufgebracht, um die Absorption der Sonnenenergie zu erhöhen. Eine übliche Absorberbeschichtung ist schwarze Emaillefarbe. ⓘ

Bei leistungsstärkeren Solarkollektoren besteht die transparente Abdeckung aus gehärtetem Kalknatronglas mit reduziertem Eisenoxidgehalt, wie es auch bei photovoltaischen Solarzellen verwendet wird. Das Glas kann auch ein Stippling-Muster und eine oder zwei Antireflexionsbeschichtungen aufweisen, um die Transparenz weiter zu erhöhen. Die Absorberbeschichtung ist in der Regel eine selektive Beschichtung, wobei selektiv für die besondere optische Eigenschaft steht, eine hohe Absorption im sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums mit einer geringen Emission im infraroten Bereich zu kombinieren. Dadurch entsteht eine selektive Oberfläche, die die Emission von Schwarzkörperenergie aus dem Absorber verringert und die Leistung verbessert. Die Rohrleitungen können per Laser oder Ultraschall mit dem Absorberblech verschweißt werden, um eine Beschädigung der selektiven Beschichtung zu vermeiden, die in der Regel vor dem Zusammenfügen zu großen Coils in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren aufgebracht wird. ⓘ

Absorber-Rohrleitungskonfigurationen umfassen:

• Harfe: traditionelles Design mit Steigrohren im unteren Bereich und einem Sammelrohr im oberen Bereich, das in Niederdruck-Thermosyphon- und Pumpsystemen verwendet wird;
• Serpentine: ein durchgehendes S-förmiges Rohr, das die Temperatur, nicht aber den Gesamtenergieertrag in Systemen mit variablem Durchfluss maximiert und in kompakten solaren Brauchwassersystemen (ohne Raumheizung) verwendet wird;
• überflutet: bestehend aus zwei Metallblechen, die so geformt sind, dass eine breite Zirkulationszone entsteht, die die Wärmeübertragung verbessert;
• Grenzschicht: bestehend aus mehreren Schichten transparenter und undurchsichtiger Platten, die die Absorption in einer Grenzschicht ermöglichen. Da die Energie in der Grenzschicht absorbiert wird, kann die Wärmeumwandlung effizienter sein als bei Kollektoren, bei denen die absorbierte Wärme durch ein Material geleitet wird, bevor sie sich in der zirkulierenden Flüssigkeit ansammelt. ⓘ

Ein Flachkollektor, der eine Wabenstruktur verwendet, um den Wärmeverlust auch an der Glasseite zu verringern, ist ebenfalls im Handel erhältlich. Die meisten Flachkollektoren haben eine Lebenserwartung von über 25 Jahren. ⓘ

Um eine möglichst hohe Absorption der Sonnenstrahlung zu erreichen, erscheint die der Sonne zugewandte Oberfläche des Absorbers idealerweise schwarz. Dafür ist schwarze Farbe geeignet, besser ist jedoch ein selektiver Absorber, der die Energie der hauptsächlich im sichtbaren Spektralbereich strahlenden Sonne möglichst gut aufnimmt und die längerwellige Wärmeabstrahlung des Absorbers nur schlecht abgibt. Dazu muss der Emissionsgrad bzw. der Absorptionsgrad (sie sind zueinander äquivalent) für Licht möglichst groß (nahe eins) sein und im für die Abstrahlung relevanten Wellenlängenbereich (nach dem Planckschen Strahlungsgesetz und dem Wienschen Verschiebungsgesetz bei 100 °C um 8,5 µm) ⓘ

Lange wurden dafür Schwarznickel oder Schwarzchrom, galvanisch aufgebrachte Schichten bestimmter Struktur, eingesetzt, welche im Mittleren Infrarot einen Emissionsgrad von 10…18% haben. Sehr vereinfacht gesagt besteht die Struktur aus mikroskopischen Metallhärchen, die das Sonnenlicht zwischen sich einfangen, jedoch aufgrund ihrer geringen Größe bei größeren Wellenlängen wenig emittieren. ⓘ

Selektive Beschichtungen wie Tinox (Titan-Nitrid-Oxid-Beschichtung), Sunselect, Mirotherm und eta plus (Cermet-Beschichtung), und andere haben meist eine bläulich-schimmernde Farbe. Sie erreichen mit 91…96% Absorption für Licht ähnlich hohe Werte wie die früher verwendete Schwarzchrom-Beschichtung, jedoch zugleich deutlich niedrigere Infrarot-Emissionsgrade (um 5 %), verlieren also weniger Wärme durch Abstrahlung. Dadurch erreichen sie eine deutlich höhere Effizienz als schwarz lackierte Absorber und auch als schwarzchrom-beschichtete Absorber. ⓘ

Absorberschichten müssen langfristig hitze- und UV-beständig sein. Als Trägermetall kommen Aluminium und Kupfer zur Anwendung. ⓘ

Selektive Dünnschicht-Absorber gelten auch wegen des Verzichts auf galvanische Prozesse, geringeren Herstellungs-Energiebedarfes pro Fläche und unproblematischem Recycling als umweltfreundlicher. ⓘ

In heißen Ländern werden häufig Absorber eingesetzt, die lediglich mit sogenanntem Solarlack beschichtet sind. Dieser schwarze Lack ist sehr hitzebeständig, jedoch ist der Emissionsgrad im mittleren Infrarot wie bei allen Lacken sehr hoch – ein Teil der eingefangenen Wärme wird daher wieder abgestrahlt. Tinox- und Cermet-Beschichtungen lassen sich bisher nur auf Kupfer aufbringen. Für Aluminiumblech ist eine Beschichtung aus Nickeloxid entwickelt worden. ⓘ

Vakuum-Röhrenkollektoren

Vakuum-Röhrenkollektor ⓘ

Direkt durchströmte Vakuumröhre ⓘ

Wärmerohr-Vakuumröhre ⓘ

Ein Feld von Vakuumröhrenkollektoren auf einem Dach ⓘ

Vakuumröhrenkollektoren sind die weltweit am weitesten verbreitete solarthermische Technologie. Sie verwenden eine Glasröhre, die den Absorber mit einem Hochvakuum umgibt und dem atmosphärischen Druck wirksam widersteht. Durch das Vakuum, das den Absorber umgibt, werden Konvektions- und Leitungswärmeverluste stark reduziert und somit eine höhere Energieumwandlungseffizienz erreicht. Der Absorber kann entweder aus Metall bestehen, wie bei Flachkollektoren, oder eine zweite konzentrische Glasröhre ("Sydney Tube") sein. Die Wärmeträgerflüssigkeit kann in jede Röhre hinein- und aus ihr herausfließen oder in Kontakt mit einem Wärmerohr sein, das in die Röhre hineinreicht. In letzterem Fall übertragen die Wärmerohre die Wärme auf die Flüssigkeit in einem Wärmetauscher, der als "Verteiler" bezeichnet wird und quer zu den Röhren angeordnet ist. Der Verteiler ist mit einer Isolierung (Glaswolle) ummantelt und von einer Schutzhülle aus Metall oder Kunststoff bedeckt, die auch zur Befestigung an Trägern dient. ⓘ

Evakuierte Glas-Metall-Röhren bestehen aus flachen oder gewölbten Absorberblechen, die denen von flachen Platten entsprechen. Diese Bleche werden mit Rohren oder Wärmerohren verbunden, um "Lamellen" zu bilden, und in einer einzelnen Borosilikatglasröhre angeordnet. Die Innen- und Außenflächen dieser Röhren können zur Verbesserung der Transparenz mit einer Antireflexionsschicht versehen werden. Sowohl die selektive als auch die antireflektierende Beschichtung (Innenseite der Röhre) werden sich erst nach dem Verlust des Vakuums abbauen. Eine hochvakuumdichte Glas-Metall-Dichtung ist jedoch an einer oder beiden Seiten jeder evakuierten Röhre erforderlich. Diese Dichtung wird jeden Tag des Kollektorbetriebs zwischen Umgebungs- und Flüssigkeitstemperatur hin- und herbewegt und kann mit der Zeit versagen. ⓘ

Glas-Glas-Evakuumröhren bestehen aus zwei Borosilikatglasröhren, die an einem oder beiden Enden miteinander verschmolzen sind (ähnlich einer Vakuumflasche oder einem Dewar-Kolben). Die Absorberflosse befindet sich im Inneren des Innenrohrs bei Atmosphärendruck. Glas-Glas-Rohre haben eine sehr zuverlässige Abdichtung, aber die beiden Glasschichten verringern die Menge an Sonnenlicht, die den Absorber erreicht. Die selektive Beschichtung kann auf das innere Borosilikatrohr (Hochvakuumseite) aufgebracht werden, um dies zu vermeiden, aber in diesem Fall muss die Wärme durch die schlecht leitende Glasdicke des inneren Rohrs fließen. Außerdem kann Feuchtigkeit in den nicht evakuierten Bereich des Innenrohrs eindringen und Korrosion am Absorber verursachen, insbesondere wenn dieser aus unterschiedlichen Materialien besteht (galvanische Korrosion). ⓘ

Eine Barium-Flash-Getter-Pumpe wird üblicherweise innerhalb des Hochvakuumspalts zwischen den Rohren verdampft, um den Innendruck über die Zeit stabil zu halten. ⓘ

Die hohen Temperaturen, die im Inneren von Vakuumröhren auftreten können, erfordern unter Umständen eine spezielle Konstruktion, um eine Überhitzung zu verhindern. Einige Vakuumröhrenkollektoren funktionieren aufgrund ihrer Wärmerohre wie ein thermisches Einwegventil. Dadurch haben sie eine inhärente maximale Betriebstemperatur, die als Sicherheitsmerkmal dient. Evakuierte Röhrenkollektoren können auch mit niedrig konzentrierenden Reflektoren an der Rückseite der Röhren ausgestattet werden, wodurch ein CPC-Kollektor entsteht. ⓘ

Vergleiche zwischen Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren

Zwischen den Befürwortern dieser beiden Technologien besteht seit langem ein Streit. Ein Teil davon hängt mit der Struktur von Vakuumröhrenkollektoren zusammen, die eine diskontinuierliche Absorptionsfläche aufweisen. Eine Anordnung von Vakuumröhrenkollektoren auf einem Dach hat einen Zwischenraum zwischen den einzelnen Röhren und einen Vakuumspalt zwischen jeder Röhre und ihrem Absorber im Inneren, der nur einen Bruchteil der Installationsfläche auf einem Dach abdeckt. Vergleicht man Vakuumröhren mit Flachkollektoren auf der Grundlage der belegten Dachfläche (Bruttofläche), könnte man zu einem anderen Ergebnis kommen als bei einem Vergleich der Absorber- oder Aperturflächen. Die jüngste Überarbeitung der Norm ISO 9806 besagt, dass der Wirkungsgrad von Solarthermiekollektoren anhand der Bruttofläche gemessen werden sollte, was bei direkten Vergleichen Flachkollektoren gegenüber Vakuumröhrenkollektoren begünstigen könnte. ⓘ

Ein Array aus evakuierten Flachkollektoren neben kompakten Solarkonzentratoren ⓘ

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Vergleich des Energieertrags (kW.h/Tag) eines Flachkollektors (blaue Linien; Thermodynamics S42-P; Absorber 2,8 m2) und eines Vakuumröhrenkollektors (grüne Linien; SunMaxx 20EVT; Absorber 3,1 m2. Die Daten stammen aus den Zertifizierungsunterlagen des SRCC im Internet. Tm-Ta = Temperaturdifferenz zwischen Wasser im Kollektor und der Umgebungstemperatur. Q = Sonneneinstrahlung während der Messungen. Erstens verliert der Flachkollektor mit zunehmender Temperatur (Tm-Ta) schneller an Effizienz als der Vakuumröhrenkollektor. Das bedeutet, dass der Flachkollektor weniger effizient ist, wenn er Wasser mit einer Temperatur von mehr als 25 Grad C über der Umgebungstemperatur produziert (d. h. rechts von den roten Markierungen im Diagramm). Zweitens: Obwohl die Leistung beider Kollektoren unter bewölkten Bedingungen (geringe Sonneneinstrahlung) stark abfällt, liefert der Evakuierungsröhrenkollektor bei Bewölkung deutlich mehr Energie als der Flachkollektor. Obwohl viele Faktoren die Extrapolation von zwei Kollektoren auf zwei verschiedene Technologien erschweren, bleiben die grundlegenden Beziehungen zwischen ihren Wirkungsgraden gültig.

Ein Feldversuch zur Veranschaulichung der in der Abbildung links dargestellten Unterschiede. Ein Flachkollektor und ein Vakuumröhrenkollektor ähnlicher Größe wurden nebeneinander auf einem Dach installiert, jeweils mit einer Pumpe, einem Regler und einem Speicher. Mehrere Variablen wurden während eines Tages mit zeitweiligem Regen und Wolken aufgezeichnet. Grüne Linie = Sonneneinstrahlung. Die obere kastanienbraune Linie zeigt die Temperatur des Evakuierungsröhrenkollektors an, bei dem die Pumpe viel langsamer läuft und in den kühlen Tageszeiten (bei geringer Sonneneinstrahlung) sogar für etwa 30 Minuten stoppt, was auf eine langsame Wärmegewinnung hinweist. Die Temperatur des Flachkollektors fiel im Laufe des Tages deutlich ab (untere violette Linie), begann aber später am Tag, als die Einstrahlung zunahm, wieder zu steigen. Die Temperatur im Wasserspeicher des Evakuierungsröhrensystems (dunkelblaue Kurve) stieg im Laufe des Tages um 8 Grad Celsius, während die Temperatur des Flachkollektors (hellblaue Kurve) konstant blieb. Mit freundlicher Genehmigung von ITS-solar.

Flachkollektoren verlieren in der Regel mehr Wärme an die Umgebung als Vakuumröhren, da es keine Isolierung an der Glasseite gibt. Evakuierte Röhrenkollektoren haben von Natur aus ein geringeres Verhältnis von Absorber- zu Bruttofläche (in der Regel 60-80 % weniger) als Flachkollektoren, da die Röhren einen größeren Abstand voneinander haben müssen. Obwohl mehrere europäische Unternehmen Evakuierungsröhrenkollektoren (hauptsächlich Glas-Metall-Kollektoren) herstellen, wird der Markt für Evakuierungsröhren von Herstellern in China beherrscht, wobei einige Unternehmen eine Erfolgsgeschichte von 15-30 Jahren oder mehr vorweisen können. Es gibt keine eindeutigen Beweise dafür, dass sich die beiden Konzepte in ihrer langfristigen Zuverlässigkeit unterscheiden. Allerdings muss die Vakuumröhrentechnologie (vor allem bei neueren Varianten mit Glas-Metall-Dichtungen und Wärmerohren) noch wettbewerbsfähige Lebensdauern nachweisen. Die Modularität evakuierter Röhren kann in Bezug auf Erweiterbarkeit und Wartung von Vorteil sein. Wenn beispielsweise das Vakuum in einer Wärmeröhre verloren geht, kann diese mit minimalem Aufwand ersetzt werden. ⓘ

Das Diagramm zeigt, dass Flachkollektoren bis zu einer Temperatur von 67 °C (120 °F) über der Umgebungstemperatur besser abschneiden als Vakuumröhren und dass der normale Betriebsbereich für solare Brauchwassersysteme grau schattiert ist. ⓘ

In den meisten Klimazonen sind Flachkollektoren im Allgemeinen kostengünstiger als Vakuumröhren. Vakuumröhrenkollektoren eignen sich jedoch gut für kalte Umgebungstemperaturen und funktionieren gut bei geringer Sonneneinstrahlung, da sie das ganze Jahr über gleichmäßig Wärme liefern. Unverglaste Flachkollektoren werden bevorzugt für die Erwärmung von Schwimmbadwasser eingesetzt. Unverglaste Kollektoren können in tropischen oder subtropischen Umgebungen geeignet sein, wenn das Brauchwasser um weniger als 20 °C (36 °F) über die Umgebungstemperatur hinaus erwärmt werden muss. Vakuumröhrenkollektoren haben einen geringeren Luftwiderstand, was eine einfachere Installation auf Dächern in windigen Gegenden ermöglichen kann. Durch die Lücken zwischen den Röhren kann Schnee durch den Kollektor fallen, was den Produktionsverlust bei Schneefall minimiert, obwohl die fehlende Strahlungswärme der Röhren auch ein effektives Abwerfen des angesammelten Schnees verhindern kann. Flachkollektoren sind möglicherweise leichter zu reinigen. Andere Eigenschaften wie das Aussehen und die einfache Installation sind eher subjektiv und schwer zu vergleichen. ⓘ

Evakuierte Flachkollektoren

Evakuierte Flachkollektoren bieten alle Vorteile von Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren in einem. Sie umgeben einen großflächigen Metallblechabsorber mit Hochvakuum innerhalb einer flachen Hülle aus Glas und Metall. Sie bieten den höchsten Energieumwandlungswirkungsgrad aller nicht konzentrierenden solarthermischen Kollektoren, erfordern jedoch eine anspruchsvolle Technologie für die Herstellung. Sie sind nicht zu verwechseln mit Flachkollektoren mit niedrigem Vakuum im Inneren. Der erste Kollektor mit Hochvakuumisolierung wurde am CERN entwickelt, während TVP SOLAR SA aus der Schweiz das erste Unternehmen war, das 2012 Solar Keymark-zertifizierte Kollektoren auf den Markt brachte. ⓘ

Evakuierte Flachkollektoren benötigen sowohl eine Glas-Metall-Dichtung, um die Glasplatte mit dem Rest der Metallhülle zu verbinden, als auch eine innere Struktur, um diese Platte gegen den atmosphärischen Druck zu stützen. Der Absorber muss segmentiert oder mit geeigneten Löchern versehen sein, um eine solche Struktur aufzunehmen. Die Verbindung aller Teile muss hochvakuumdicht sein, und es dürfen nur Materialien mit niedrigem Dampfdruck verwendet werden, um ein Ausgasen zu verhindern. Die Glas-Metall-Dichtungstechnologie kann entweder auf metallisiertem Glas oder auf verglastem Metall basieren und bestimmt die Art des Kollektors. Im Gegensatz zu evakuierten Röhrenkollektoren werden hier nicht verdampfbare Getterpumpen (NEG) eingesetzt, um den Innendruck über die Zeit stabil zu halten. Diese Getterpumpen-Technologie hat den Vorteil, dass sie eine gewisse Regeneration vor Ort durch Sonneneinstrahlung ermöglicht. Evakuierte Flachkollektoren wurden für die solare Klimatisierung untersucht und mit kompakten Solarkonzentratoren verglichen. ⓘ

Polymer-Flachkollektoren

Diese Kollektoren sind eine Alternative zu Metallkollektoren und werden jetzt in Europa hergestellt. Sie können vollständig aus Polymeren bestehen oder Metallplatten vor gefriertoleranten Wasserkanälen aus Silikonkautschuk enthalten. Polymere sind flexibel und daher frostsicher und können mit reinem Wasser anstelle von Frostschutzmitteln betrieben werden, so dass sie direkt in vorhandene Wassertanks eingebaut werden können, ohne dass ein Wärmetauscher erforderlich ist, der die Effizienz verringert. Durch den Verzicht auf einen Wärmetauscher müssen die Temperaturen nicht so hoch sein, damit sich das Zirkulationssystem einschaltet, so dass solche direkt zirkulierenden Kollektoren, ob aus Polymeren oder anderen Materialien, vor allem bei geringer Sonneneinstrahlung effizienter sein können. Einige frühere selektiv beschichtete Polymerkollektoren litten bei der Isolierung unter Überhitzung, da die Stagnationstemperaturen den Schmelzpunkt des Polymers überschreiten können. Der Schmelzpunkt von Polypropylen liegt beispielsweise bei 160 °C (320 °F), während die Stagnationstemperatur von isolierten thermischen Kollektoren 180 °C (356 °F) übersteigen kann, wenn keine Kontrollstrategien eingesetzt werden. Aus diesem Grund wird Polypropylen in verglasten, selektiv beschichteten Solarkollektoren nicht häufig verwendet. Zunehmend werden Polymere wie hochtemperaturbeständige Silikone (die bei über 250 °C schmelzen) verwendet. Einige verglaste Sonnenkollektoren auf der Basis von Nicht-Polypropylenpolymeren sind eher mattschwarz beschichtet als selektiv beschichtet, um die Stagnationstemperatur auf 150 °C oder weniger zu senken. ⓘ

In Gebieten, in denen Frost möglich ist, kann durch die Verwendung flexibler Polymere eine Frosttoleranz (die Fähigkeit, wiederholt einzufrieren, ohne zu brechen) erreicht werden. Im Vereinigten Königreich werden seit 1999 Silikonkautschukrohre für diesen Zweck verwendet. Herkömmliche Metallkollektoren sind anfällig für Frostschäden, so dass sie, wenn sie mit Wasser gefüllt sind, sorgfältig verlegt werden müssen, damit sie durch die Schwerkraft vollständig entleert werden können, bevor ein Einfrieren zu erwarten ist, damit sie keine Risse bekommen. Viele Metallkollektoren werden als Teil eines geschlossenen Wärmetauschersystems installiert. Anstatt Trinkwasser direkt durch die Kollektoren fließen zu lassen, wird eine Mischung aus Wasser und Frostschutzmittel wie Propylenglykol verwendet. Eine Wärmetauscherflüssigkeit schützt vor Frostschäden bis zu einer lokal festgelegten Risikotemperatur, die vom Anteil des Propylenglykols in der Mischung abhängt. Die Verwendung von Glykol senkt die Wärmeleitfähigkeit des Wassers geringfügig, während ein zusätzlicher Wärmetauscher die Leistung des Systems bei geringer Beleuchtung verringern kann. ⓘ

Ein Pool- oder unverglaster Kollektor ist eine einfache Form eines Flachkollektors ohne transparente Abdeckung. Als Absorber wird in der Regel Polypropylen, EPDM-Gummi oder Silikonkautschuk verwendet. Für die Beheizung von Schwimmbecken kann er recht gut funktionieren, wenn die gewünschte Ausgangstemperatur nahe der Umgebungstemperatur liegt (d. h. wenn es draußen warm ist). Wenn die Umgebungstemperatur kühler wird, verlieren diese Kollektoren an Wirksamkeit. ⓘ

Schalenkollektoren

Eine Solarschüssel ist eine Art von Solarthermiekollektor, der ähnlich wie eine Parabolschüssel funktioniert, aber anstelle eines nachgeführten Parabolspiegels mit einem festen Empfänger einen festen kugelförmigen Spiegel mit einem nachgeführten Empfänger hat. Dies verringert zwar den Wirkungsgrad, macht ihn aber billiger in Bau und Betrieb. Die Konstrukteure nennen es ein Solarsystem mit festem Spiegel und verteiltem Fokus. Der Hauptgrund für seine Entwicklung war, dass die Kosten für die Bewegung eines großen Spiegels zur Nachführung der Sonne, wie bei Parabolspiegelsystemen, entfallen sollten. ⓘ

Ein feststehender Parabolspiegel erzeugt ein unterschiedlich geformtes Bild der Sonne, während sie sich über den Himmel bewegt. Nur wenn der Spiegel direkt auf die Sonne gerichtet ist, wird das Licht auf einen Punkt fokussiert. Aus diesem Grund werden Parabolspiegelsysteme der Sonne nachgeführt. Ein fester sphärischer Spiegel bündelt das Licht unabhängig vom Sonnenstand an der gleichen Stelle. Das Licht ist jedoch nicht auf einen Punkt gerichtet, sondern verteilt sich auf einer Linie von der Oberfläche des Spiegels bis zu einem halben Radius (entlang einer Linie, die durch den Kugelmittelpunkt und die Sonne verläuft). ⓘ

Typische Energiedichte entlang der Brennlinie mit 1/2 Radiuslänge eines sphärischen Reflektors ⓘ

Wenn sich die Sonne über den Himmel bewegt, ändert sich die Apertur eines festen Kollektors. Dadurch ändert sich die Menge des eingefangenen Sonnenlichts, was den so genannten Sinus-Effekt der Leistungsabgabe bewirkt. Befürworter des Solar Bowl-Designs behaupten, dass die geringere Gesamtleistung im Vergleich zu nachgeführten Parabolspiegeln durch niedrigere Systemkosten ausgeglichen wird. ⓘ

Das auf die Brennlinie eines sphärischen Reflektors konzentrierte Sonnenlicht wird von einem nachgeführten Empfänger aufgefangen. Dieser Receiver ist um die Brennlinie schwenkbar und wird in der Regel ausbalanciert. Der Empfänger kann aus Rohren bestehen, die eine Flüssigkeit zur Wärmeübertragung führen, oder aus photovoltaischen Zellen zur direkten Umwandlung von Licht in Strom. ⓘ

Die Solarschüssel ist das Ergebnis eines Projekts der Abteilung für Elektrotechnik der Technischen Universität Texas unter der Leitung von Edwin O'Hair zur Entwicklung eines 5-MWe-Kraftwerks. Für die Stadt Crosbyton, Texas, wurde eine Solarschüssel als Pilotanlage gebaut. Die Schüssel hatte einen Durchmesser von 20 m (65 ft) und war in einem Winkel von 15° geneigt, um das Kosten-Ertrags-Verhältnis zu optimieren (33° hätte den Ertrag maximiert). Der Rand der Halbkugel wurde auf 60° "getrimmt", wodurch eine maximale Öffnung von 308,3 m² (3.318 square feet) entstand. Diese Pilotschüssel produzierte Strom mit einer Spitzenleistung von 10 kW. ⓘ

Eine Solarschüssel mit einem Durchmesser von 15 Metern in Auroville wurde aus einem früheren Test einer 3,5 Meter großen Schüssel entwickelt, der 1979-1982 vom Tata Energy Research Institute durchgeführt wurde. Bei diesem Test wurde die Verwendung der Solarschüssel für die Erzeugung von Dampf zum Kochen nachgewiesen. Das groß angelegte Projekt zum Bau einer Solarschüssel und einer Solarküche begann 1996 und war 2001 voll betriebsbereit. ⓘ

An Standorten mit durchschnittlicher Sonnenenergie sind Flachkollektoren etwa 1,2 bis 2,4 Quadratdezimeter pro Liter Warmwasserverbrauch eines Tages groß. ⓘ

Anwendungen

Diese Technologie wird hauptsächlich in Wohngebäuden eingesetzt, wo der Warmwasserbedarf einen großen Einfluss auf die Energierechnung hat. Dies ist in der Regel der Fall, wenn eine große Familie lebt oder der Warmwasserbedarf durch häufiges Wäschewaschen übermäßig hoch ist. Zu den gewerblichen Anwendungen gehören Waschsalons, Autowaschanlagen, militärische Wäschereien und gastronomische Einrichtungen. Die Technologie kann auch für die Raumheizung eingesetzt werden, wenn das Gebäude nicht an ein Stromnetz angeschlossen ist oder wenn die Stromversorgung häufig ausfällt. Solare Warmwasserheizungssysteme sind am ehesten für Einrichtungen rentabel, in denen der Betrieb von Warmwasserheizungsanlagen teuer ist, oder für Betriebe wie Wäschereien oder Küchen, die große Mengen an Warmwasser benötigen. Unverglaste Flüssigkeitskollektoren werden in der Regel zur Erwärmung von Wasser für Schwimmbäder verwendet, können aber auch zur Wasservorwärmung in großem Maßstab eingesetzt werden. Wenn die Lasten im Verhältnis zur verfügbaren Kollektorfläche groß sind, kann der größte Teil der Wassererwärmung bei niedrigen Temperaturen erfolgen, die unter den Schwimmbadtemperaturen liegen, für die unverglaste Kollektoren auf dem Markt die richtige Wahl sind. Da diese Kollektoren keinen hohen Temperaturen standhalten müssen, können sie aus preiswerteren Materialien wie Kunststoff oder Gummi bestehen. Viele unverglaste Kollektoren bestehen aus Polypropylen und müssen vollständig entleert werden, um Gefrierschäden zu vermeiden, wenn die Lufttemperaturen in klaren Nächten unter 7 °C (44 °F) fallen. Ein kleinerer, aber wachsender Prozentsatz der unverglasten Kollektoren ist flexibel, d. h. sie können Wasser standhalten, das in ihrem Absorber fest gefriert. Das Problem des Einfrierens betrifft nur die mit Wasser gefüllten Rohrleitungen und Kollektorverteiler bei starkem Frost. Unverglaste solare Warmwassersysteme sollten so installiert werden, dass sie bei unzureichender Sonneneinstrahlung in einen Pufferspeicher zurückfließen. Bei unverglasten Systemen gibt es keine Probleme mit Temperaturschocks. Unverglaste Solarkollektoren, die seit den Anfängen der Solarenergie für die Beheizung von Schwimmbädern verwendet werden, erhitzen das Schwimmbadwasser direkt, ohne dass Frostschutzmittel oder Wärmetauscher erforderlich sind. Bei Warmwasser-Solarsystemen sind Wärmetauscher erforderlich, da Verunreinigungen möglich sind und bei unverglasten Kollektoren ein Druckunterschied zwischen der Solarflüssigkeit (Wasser) und dem Verbraucher (kaltes Stadtwasser unter Druck) besteht. Große unverglaste Solar-Warmwasserbereiter, wie der im Minoru Aquatic Center in Richmond, BC, arbeiten mit niedrigeren Temperaturen als Vakuumröhren- oder verglaste Kollektorsysteme. Sie erfordern zwar größere und teurere Wärmetauscher, aber alle anderen Komponenten wie belüftete Speicher und unisolierte PVC-Kunststoffrohre senken die Kosten dieser Alternative im Vergleich zu den Kollektortypen mit höheren Temperaturen erheblich. Bei der Erwärmung von Warmwasser erwärmen wir eigentlich kalt zu warm und warm zu heiß. Die Erwärmung von kalt zu warm kann mit unverglasten Kollektoren ebenso effizient erfolgen wie die Erwärmung von warm zu heiß mit Hochtemperaturkollektoren. ⓘ

Solarthermische Kollektoren zur Lufterwärmung

Ein einfacher Solarluftkollektor besteht aus einem Absorbermaterial, das manchmal eine selektive Oberfläche hat, um die Sonnenstrahlung einzufangen, und überträgt diese Wärmeenergie durch Wärmeleitung auf Luft. Diese erwärmte Luft wird dann in den Gebäuderaum oder in den Prozessbereich geleitet, wo die erwärmte Luft für die Raumheizung oder Prozesswärme verwendet wird. Solarthermische Luftsysteme funktionieren ähnlich wie herkömmliche Umluftofenanlagen und liefern Wärme, indem sie Luft über eine Energiesammelfläche zirkulieren lassen, die die Wärmeenergie der Sonne aufnimmt und die mit ihr in Berührung kommende Luft weiterleitet. Einfache und effektive Kollektoren können für eine Vielzahl von Klimatisierungs- und Prozessanwendungen hergestellt werden. ⓘ

Viele Anwendungen können solare Luftwärmetechnologien nutzen, um den Kohlenstoff-Fußabdruck zu verringern, der durch die Nutzung konventioneller Wärmequellen wie fossiler Brennstoffe entsteht, und so ein nachhaltiges Mittel zur Erzeugung von Wärmeenergie zu schaffen. Anwendungen wie die Raumheizung, die Verlängerung der Gewächshaussaison, die Vorwärmung der Zuluft für die Belüftung oder die Prozesswärme können durch solare Luftwärmegeräte abgedeckt werden. Im Bereich der "solaren Kraft-Wärme-Kopplung" werden solarthermische Technologien mit Photovoltaik (PV) kombiniert, um die Effizienz des Systems zu erhöhen, indem den PV-Kollektoren Wärme entzogen wird, die PV-Paneele gekühlt werden, um ihre elektrische Leistung zu verbessern, während gleichzeitig Luft für die Raumheizung erwärmt wird. ⓘ

Raumheizung und Belüftung

Die Raumheizung für private und gewerbliche Anwendungen kann durch den Einsatz von Solar-Luftheizungspaneelen erfolgen. Bei dieser Konfiguration wird Luft aus der Gebäudehülle oder aus der Außenumgebung angesaugt und durch den Kollektor geleitet, wo sich die Luft durch Konduktion vom Absorber erwärmt und dann entweder passiv oder mit Hilfe eines Ventilators in den Wohn- oder Arbeitsraum geleitet wird. Ein Pionier dieser Art von Systemen war George Löf, der 1945 ein solarbeheiztes Luftsystem für ein Haus in Boulder, Colorado, baute. Später baute er ein Kiesbett zur Wärmespeicherung ein. ⓘ

In den meisten kommerziellen, industriellen und institutionellen Gebäuden ist eine Belüftung, Frischluft oder Zusatzluft erforderlich, um die gesetzlichen Anforderungen zu erfüllen. Indem man Luft durch einen richtig konzipierten unverglasten transpirierten Luftkollektor oder einen Lufterhitzer zieht, kann die solar erwärmte Frischluft die Heizlast während des Tagesbetriebs reduzieren. In vielen Fällen wird die Frischluft, die in einen Wärmerückgewinnungslüfter strömt, durch den transpirierten Kollektor vorgewärmt, um die Abtauzeit der HRVs zu verkürzen. Je höher die Belüftung und die Temperatur, desto besser ist die Amortisationszeit. ⓘ

Prozesswärme

Solare Luftwärme wird auch in Prozessanwendungen wie dem Trocknen von Wäsche, Feldfrüchten (z. B. Tee, Mais, Kaffee) und anderen Trocknungsanwendungen eingesetzt. Luft, die durch einen Solarkollektor erwärmt und dann über ein zu trocknendes Medium geleitet wird, kann ein effizientes Mittel sein, um den Feuchtigkeitsgehalt des Materials zu reduzieren. ⓘ

Prozesswärme mit hoher Temperatur kann durch einen Solarofen erzeugt werden. ⓘ

Typen von Solarkollektoren für die Luftheizung

Kollektoren werden in der Regel nach ihrer Luftführung in drei Typen eingeteilt:

• Durchgangskollektoren
• Front-Pass-Kollektoren
• Rückpass
• kombinierte Front- und Backpass-Kollektoren ⓘ

Kollektoren können auch nach ihrer Außenfläche klassifiziert werden:

• glasiert
• unglasiert ⓘ

Luftkollektor mit Durchlass

Die höchste Effizienz aller Solartechnologien bietet die Durchlaufkonfiguration, bei der die auf eine Seite des Absorbers geleitete Luft durch ein perforiertes Material strömt und durch die leitenden Eigenschaften des Materials und die konvektiven Eigenschaften der sich bewegenden Luft erwärmt wird. Durchgangsabsorber haben die größte Oberfläche, die relativ hohe Wärmeübertragungsraten ermöglicht, aber ein erheblicher Druckabfall kann eine höhere Ventilatorleistung erfordern, und die Verschlechterung bestimmter Absorbermaterialien nach vielen Jahren der Sonneneinstrahlung kann zusätzlich Probleme mit der Luftqualität und der Leistung verursachen. ⓘ

Luftkollektoren mit hinterem, vorderem und kombiniertem Durchgang

Bei Rücklauf-, Vorlauf- und Kombinationsluftkollektoren wird die Luft entweder auf die Rückseite, die Vorderseite oder auf beide Seiten des Absorbers geleitet, um vom Rücklauf zu den Zuluftkanälen erwärmt zu werden. Obwohl die Luftführung auf beiden Seiten des Absorbers eine größere Oberfläche für die Wärmeübertragung bietet, kann es zu Problemen mit Staub (Verschmutzung) kommen, wenn die Luft auf der Vorderseite des Absorbers geführt wird, was den Wirkungsgrad des Absorbers verringert, da die Menge des empfangenen Sonnenlichts eingeschränkt wird. In kalten Klimazonen führt Luft, die an der Verglasung vorbeiströmt, außerdem zu größeren Wärmeverlusten, was zu einer geringeren Gesamtleistung des Kollektors führt. ⓘ

Verglaste Systeme

Verglaste Systeme haben in der Regel eine transparente Deckscheibe und isolierte Seiten- und Rückwände, um den Wärmeverlust an die Umgebungsluft zu minimieren. Die Absorberplatten in modernen Kollektoren können ein Absorptionsvermögen von über 93 % aufweisen. Verglaste Solarkollektoren (rezirkulierende Typen, die normalerweise für die Raumheizung verwendet werden). Die Luft strömt in der Regel an der Vorder- oder Rückseite der Absorberplatte entlang und nimmt dabei die Wärme direkt von der Platte ab. Die erwärmte Luft kann dann direkt für Anwendungen wie Raumheizung und Trocknung verteilt oder für eine spätere Verwendung gespeichert werden. Die Amortisationszeit für verglaste Solarluftheizungen kann weniger als 9-15 Jahre betragen, je nachdem, welcher Brennstoff ersetzt wird. ⓘ

Unverglaste Systeme

Unverglaste Systeme oder transpirierte Luftsysteme werden zur Erwärmung von Zusatz- oder Belüftungsluft in Gewerbe, Industrie, Landwirtschaft und Prozessanwendungen eingesetzt. Sie bestehen aus einer Absorberplatte, durch die die Luft strömt, während sie dem Absorber Wärme entzieht. Nicht-transparente Verglasungsmaterialien sind weniger teuer und verkürzen die erwartete Amortisationszeit. Transpirierte Kollektoren gelten als "unverglast", da ihre Kollektorflächen den Elementen ausgesetzt sind, oft nicht transparent und nicht hermetisch abgedichtet sind. ⓘ

Unverglaste transpirierte Solarkollektoren

Hintergrund

Der Begriff "unverglaster Luftkollektor" bezieht sich auf ein solares Lufterwärmungssystem, das aus einem Metallabsorber ohne darüber liegendes Glas oder Verglasung besteht. Der gängigste Typ von unverglasten Kollektoren auf dem Markt ist der transpirierte Solarkollektor. Die Technologie wurde von diesen Regierungsbehörden umfassend überwacht, und Natural Resources Canada entwickelte das Machbarkeitsinstrument RETScreen™, um die Energieeinsparungen durch transpirierte Solarkollektoren zu modellieren. Seitdem wurden mehrere tausend transpirierte Solarkollektorsysteme in einer Vielzahl von gewerblichen, industriellen, institutionellen, landwirtschaftlichen und verfahrenstechnischen Anwendungen in Ländern auf der ganzen Welt installiert. Ursprünglich wurde diese Technologie vor allem in industriellen Anwendungen wie Fertigungs- und Montageanlagen eingesetzt, wo hohe Belüftungsanforderungen, geschichtete Deckenwärme und häufig Unterdruck im Gebäude herrschten. Mit dem zunehmenden Bestreben, Gebäude mit erneuerbaren Energiesystemen auszustatten, werden transpirierte Solarkollektoren aufgrund der hohen Energieproduktion (bis zu 750 thermische Spitzenwatt/Quadratmeter), der hohen solaren Umwandlung (bis zu 90 %) und der im Vergleich zu Photovoltaik und solarer Warmwasserbereitung niedrigeren Kapitalkosten nun im gesamten Gebäudebestand eingesetzt. ⓘ

Die solare Luftheizung ist eine solarthermische Technologie, bei der die Energie der Sonne, die Sonneneinstrahlung, von einem absorbierenden Medium aufgefangen und zur Erwärmung der Luft genutzt wird. ⓘ

Die solare Lufterwärmung ist eine Heiztechnologie mit erneuerbaren Energien, die zur Erwärmung oder Klimatisierung von Luft für Gebäude oder Prozesswärmeanwendungen eingesetzt wird. Sie ist in der Regel die kosteneffektivste aller Solartechnologien, insbesondere bei großflächigen Anwendungen, und deckt den größten Teil des Energieverbrauchs von Gebäuden in Heizklimaten ab, nämlich die Raumheizung und die industrielle Prozesswärme. Sie sind entweder verglast oder nicht verglast. ⓘ

Funktionsweise

Unverglaste Luftkollektoren erwärmen die Umgebungsluft (Außenluft) anstelle der umgewälzten Gebäudeluft. Durchsichtige Solarkollektoren werden in der Regel an der Wand montiert, um den niedrigeren Sonnenwinkel in den Wintermonaten sowie die Sonnenreflexion auf dem Schnee zu nutzen. Sie erreichen ihre optimale Leistung und Rentabilität, wenn sie mit Durchflussraten zwischen 4 und 8 CFM pro Quadratfuß (72 bis 144 m3/h.m2) der Kollektorfläche betrieben werden. ⓘ

Die Außenfläche eines transpirierten Sonnenkollektors besteht aus Tausenden von winzigen Mikroperforationen, die es ermöglichen, die Grenzschichtwärme einzufangen und gleichmäßig in einen Lufthohlraum hinter den Außenpaneelen zu ziehen. Diese erwärmte Belüftungsluft wird unter Unterdruck in das Belüftungssystem des Gebäudes gesaugt, wo sie dann auf herkömmliche Weise oder über ein Solarkanalsystem verteilt wird. ⓘ

Heiße Luft kann in ein HLK-System eindringen, das an einen transpirierten Kollektor angeschlossen ist, dessen Luftauslässe entlang der Oberseite des Kollektors angeordnet sind, insbesondere wenn der Kollektor nach Westen ausgerichtet ist. Um diesem Problem entgegenzuwirken, hat Matrix Energy einen transpirierten Kollektor mit einer niedrigeren Luftauslassposition und einer perforierten Hohlraumumrahmung patentiert, um die Luftturbulenz hinter dem perforierten Absorber zu erhöhen und so die Leistung zu steigern. ⓘ

Diese Schnittansicht zeigt die Komponenten des transpirierten MatrixAir-Sonnenkollektors und den Luftstrom. Der untere Lufteinlass vermindert den Eintritt von erwärmter Luft in das HVAC-System während des Sommerbetriebs. ⓘ

Die umfassende Überwachung durch Natural Resources Canada und NREL hat gezeigt, dass transpirierte Solarkollektorsysteme zwischen 10-50% der konventionellen Heizlast reduzieren und dass RETScreen eine genaue Vorhersage der Systemleistung ist. Durchsichtige Solarkollektoren wirken wie ein Regenschutz und fangen auch Wärmeverluste auf, die aus der Gebäudehülle entweichen, im Lufthohlraum des Kollektors gesammelt und in das Belüftungssystem zurückgeführt werden. Solare Luftheizungssysteme müssen nicht gewartet werden und haben eine erwartete Lebensdauer von über 30 Jahren. ⓘ

Variationen von transpirierten Solarkollektoren

Unverglaste transpirierte Kollektoren können auch auf dem Dach montiert werden, wenn keine geeignete Südwand vorhanden ist oder andere architektonische Gründe vorliegen. Matrix Energy Inc. hat ein Dachprodukt mit dem Namen Delta" patentiert, ein modulares, auf dem Dach montiertes Solar-Luftheizungssystem für Anwendungen, bei denen Süd-, Ost- oder Westfassaden einfach nicht zur Verfügung stehen. ⓘ

Jedes 3,05 m (10 Fuß) große Modul liefert 250 CFM (425 m3/h) vorgewärmte Frischluft und spart dadurch jährlich 1100 kWh (4 GJ) Energie. Dieser einzigartige zweistufige, modulare, auf dem Dach montierte transpirierte Kollektor arbeitet mit einem Wirkungsgrad von fast 90 %, wobei jedes Modul über 118 l/s vorgewärmte Luft pro zwei Quadratmeter Kollektor liefert. Bis zu sieben Kollektoren können in einer Reihe in Serie geschaltet werden, wobei es keine Begrenzung für die Anzahl der parallel geschalteten Reihen entlang eines zentralen Kanals gibt, der typischerweise 4 CFM vorgewärmte Luft pro Quadratmeter verfügbarer Dachfläche liefert. ⓘ

Transpirierte Kollektoren können so konfiguriert werden, dass sie die Luft zweimal erwärmen, um die Temperatur der zugeführten Luft zu erhöhen, wodurch sie sich sowohl für Raumheizungsanwendungen als auch für die Beheizung der Lüftungsluft eignen. Bei einem zweistufigen System ist die erste Stufe der typische unverglaste transpirierte Kollektor und die zweite Stufe hat eine Verglasung, die den transpirierten Kollektor abdeckt. Die Verglasung ermöglicht es, die gesamte erwärmte Luft aus der ersten Stufe durch einen zweiten Satz transpirierter Kollektoren für eine zweite Stufe der Solarheizung zu leiten. ⓘ

Solarthermische Kollektoren zur Stromerzeugung

Die in diesem Abschnitt beschriebenen Parabolrinnen, Schüsseln und Türme werden fast ausschließlich in Solarkraftwerken oder zu Forschungszwecken eingesetzt. Parabolrinnen wurden auch für einige kommerzielle solare Klimatisierungssysteme verwendet. Obwohl sie einfach sind, sind diese Solarkonzentratoren ziemlich weit von der theoretischen Höchstkonzentration entfernt. So beträgt die Konzentration bei Parabolrinnen etwa 1/3 des theoretischen Maximums bei gleichem Akzeptanzwinkel, d. h. bei gleichen Gesamttoleranzen für das System. Eine Annäherung an das theoretische Maximum kann durch aufwändigere Konzentratoren erreicht werden, die auf nicht-abbildenden Optiken basieren. Solarthermische Kollektoren können auch in Verbindung mit photovoltaischen Kollektoren eingesetzt werden, um Kraft-Wärme-Kopplung zu erreichen. ⓘ

Parabolrinne ⓘ

Parabolrinne

Dieser Kollektortyp wird in der Regel in Solarkraftwerken eingesetzt. Ein rinnenförmiger Parabolspiegel konzentriert das Sonnenlicht auf eine isolierte Röhre (Dewar-Röhre) oder ein Wärmerohr, das im Brennpunkt platziert ist und Kühlmittel enthält, das die Wärme von den Kollektoren zu den Kesseln des Kraftwerks leitet. ⓘ

Parabolschüssel

Solar-Parabolschüssel ⓘ

Bei einem Parabolrinnenkollektor konzentrieren eine oder mehrere Parabolschüsseln die Sonnenenergie auf einen einzigen Brennpunkt, ähnlich wie ein Spiegelteleskop das Sternenlicht bündelt oder eine Parabolantenne die Radiowellen. Diese Geometrie kann in Solaröfen und Solarkraftwerken verwendet werden. ⓘ

Die Form einer Parabel bedeutet, dass einfallende Lichtstrahlen, die parallel zur Achse der Schüssel verlaufen, zum Brennpunkt reflektiert werden, unabhängig davon, wo auf der Schüssel sie ankommen. Das Licht der Sonne trifft fast parallel zur Erdoberfläche ein, und die Parabolantenne ist mit ihrer Achse auf die Sonne ausgerichtet, so dass fast die gesamte einfallende Strahlung zum Brennpunkt der Antenne reflektiert wird. Die meisten Verluste in solchen Kollektoren sind auf Unzulänglichkeiten in der Parabolform und unvollkommene Reflexion zurückzuführen. ⓘ

Die Verluste durch atmosphärische Streuung sind im Allgemeinen minimal. An einem dunstigen oder nebligen Tag wird das Licht jedoch durch die Atmosphäre in alle Richtungen gestreut, was den Wirkungsgrad einer Parabolantenne erheblich verringert. Bei Dish-Stirling-Kraftwerken wird ein Stirling-Motor, der mit einem Dynamo gekoppelt ist, im Brennpunkt der Parabolantenne platziert. Dieser absorbiert die auf ihn fokussierte Energie und wandelt sie in Strom um. ⓘ

Stromturm

Solarstromturm ⓘ

Ein Kraftwerksturm ist ein großer Turm, der von nachführbaren Spiegeln, so genannten Heliostaten, umgeben ist. Diese Spiegel richten sich selbst aus und fokussieren das Sonnenlicht auf den Receiver an der Spitze des Turms; die gesammelte Wärme wird an ein Kraftwerk darunter weitergeleitet. Bei dieser Konstruktion werden sehr hohe Temperaturen erreicht. Die hohen Temperaturen eignen sich für die Stromerzeugung mit herkömmlichen Methoden wie Dampfturbinen oder einer direkten chemischen Hochtemperaturreaktion wie Flüssigsalz. Durch die Konzentration des Sonnenlichts können die heutigen Systeme einen besseren Wirkungsgrad erzielen als einfache Solarzellen. Mit relativ preiswerten Spiegeln kann eine größere Fläche abgedeckt werden als mit teuren Solarzellen. Das gebündelte Licht kann über Glasfaserkabel an einen geeigneten Ort geleitet werden, um beispielsweise Gebäude zu beleuchten. Die Wärmespeicherung für die Stromerzeugung bei Bewölkung und über Nacht ist möglich, oft durch unterirdische Tanks für erhitzte Flüssigkeiten. Geschmolzene Salze wurden mit gutem Erfolg eingesetzt. Aufgrund ihrer besseren thermischen Eigenschaften wurden auch andere Arbeitsflüssigkeiten, wie z. B. flüssige Metalle, vorgeschlagen. ⓘ

Konzentrierende Systeme müssen jedoch der Sonne nachgeführt werden, um das Sonnenlicht auf den Kollektor zu konzentrieren. Bei diffusem Licht können sie keine nennenswerte Leistung erbringen. Solarzellen sind in der Lage, auch bei bewölktem Himmel eine gewisse Leistung zu erbringen, aber die Leistung von konzentrierenden Systemen sinkt bei bewölktem Himmel drastisch, da diffuses Licht nicht gut konzentriert werden kann. ⓘ

Normen

• ISO-Prüfverfahren für Solarkollektoren.
• EN 12975: Thermische Solaranlagen und Komponenten. Solarkollektoren.
• EN 12976: Thermische Solaranlagen und ihre Bauteile. Werkseitig hergestellte Systeme.
• EN 12977: Thermische Solaranlagen und ihre Bauteile. Maßgefertigte Systeme.
• Solar Keymark: Thermische Solarsysteme und -komponenten. Höhere Zertifizierungsstufe der Serie EN 1297X, die auch Werksbesuche umfasst.
• International Code Council / Solar Rating & Certification Corporation: Die Prüfung wird von unabhängigen Labors durchgeführt und umfasst in der Regel die Auswahl eines zu prüfenden Kollektors aus einer Mustergruppe von mindestens sechs Solarkollektoren.
• ICC 901/ICC-SRCC™ 100: Norm für thermische Solarkollektoren
• ICC 900/ICC-SRCC™ 300: Norm für thermische Solaranlagen
• ICC 902/APSP 902/ICC-SRCC™ 400: Norm für solare Pool- und Spa-Heizsysteme ⓘ

Prinzip des thermischen Sonnenkollektors

Durch den Anschluss der hier als graue Balken dargestellten Kollektoren im Tichelmann-System wird eine einheitliche Rohrlänge im Vor- und Rücklauf und somit eine gleichmäßige Durchströmung jedes einzelnen Kollektors erreicht. ⓘ

Thermosiphonkollektor in Haifa ⓘ

Thermische Sonnenkollektoren erreichen bei der Verwertung der Sonnenstrahlung relativ hohe Wirkungsgrade – typischerweise zwischen 60 und 75 %. In Europa fallen bei Sonnenschein je nach Jahreszeit und Sonnenstand zwischen 200 und 1000 W/m² ein (siehe auch Solarkonstante). ⓘ

Zentraler Bestandteil des Kollektors ist der Solarabsorber, der die Strahlungsenergie der Sonne in Wärme umwandelt und diese an einen ihn durchfließenden Wärmeträger abgibt. Mit Hilfe dieses Wärmeträgers wird die Wärme aus dem Kollektor abgeführt (z. B. über Wärmetauscher) und anschließend direkt verwendet oder gespeichert. ⓘ

Um die unvermeidlichen Wärmeverluste zu reduzieren, ist eine gute Wärmedämmung des Absorbers gegenüber der Umgebung notwendig. Nach der Dämmtechnik unterscheidet man

• Flachkollektoren, die herkömmliches Dämmmaterial verwenden;
• Vakuumröhrenkollektoren, die die Dämmung durch ein Vakuum erreichen, aber teurer in der Anschaffung sind; und
• Vakuum-Flachkollektoren, d. h. flache Bauform, gutes Brutto/Netto-Flächenverhältnis und Vakuum-Dämmung.
• Einfachabsorber, die als Niedertemperatur-Kollektoren zur Schwimmbaderwärmung verwendet werden: Sie bestehen meist aus Kunststoff und sind in der Regel überhaupt nicht zusätzlich gedämmt.
• Die einfachste Bauart ist ein dunkler, wassergefüllter Behälter. Bei Sonnenschein erwärmen sich geeignete Behälter in wenigen Stunden bis fast zur Siedetemperatur, was im Süden seit Jahrhunderten genutzt wird. Sogar in Mitteleuropa kann ein gewöhnlicher Gartenschlauch im Sommer Wassertemperaturen von über 60 °C erreichen. Aus hygienischen Gründen sollte man diese Technik nicht für Trinkwasser anwenden. ⓘ

Diese Kollektoren nehmen die Strahlung annähernd gleichmäßig aus allen Richtungen auf, sie müssen nicht der Sonne nachgeführt werden und liefern auch bei Bewölkung noch eine gewisse Leistung. Daneben gibt es konzentrierende Kollektoren, die nach dem Prinzip des Brennspiegels arbeiten und deutlich höhere Temperaturen erzielen. Parabolrinnen­kollektoren in Sonnenwärmekraftwerken erreichen Temperaturen um 400 °C, mit denen ein Dampfkraftwerk betrieben werden kann. Derartige Verfahren sind nur bei starker direkter Sonneneinstrahlung (ohne Bewölkung) lohnend. Während man früher ausschließlich fest aufgestellte bzw. verankerte Kollektoren verwendete, gibt es nun auch Systeme, die der Richtung zur Sonne nachgeführt werden. ⓘ

Der Sonnenkollektor ist der zentrale Bestandteil einer thermischen Solaranlage und wurde bis Anfang der neunziger Jahre meist nur zur Warmwasserbereitung genutzt, zunehmend findet auch eine Verwendung der Energie in der Raumheizung statt. In Verbindung mit einem Niedrigenergiehaus und einem Saisonwärmespeicher kann die Raumheizung sogar vollständig mittels Solarkollektoren erfolgen. ⓘ

Werden mehrere Sonnenkollektoren parallel geschaltet, müssen diese gemäß Tichelmann-System angeschlossen werden, um eine möglichst gleichmäßige Durchströmung sicherzustellen. ⓘ

Ein Thermosiphonkollektor arbeitet ohne Pumpe nach dem Schwerkraft-Umlaufprinzip: Im Kollektor wird Wasser erwärmt und steigt nach oben, beim Abkühlen sinkt es wieder nach unten (Naturumlauf). Umgekehrt als bei der dasselbe Prinzip nutzenden Schwerkraftheizung muss sich der Speicher daher oberhalb des Sonnenkollektors befinden. Der Thermosiphonkollektor hat häufig bereits einen Warmwasserspeicher integriert und stellt damit eine komplette einfache Solaranlage dar. Solche Anlagen sind vor allem in südlichen Ländern (Griechenland, Türkei, Israel, Australien) auf vielen Dächern zu finden, denn der exponiert über der Dachhaut liegende Speicher würde in kälteren Ländern zu schnell auskühlen. Zudem ist es aus Gewichtsgründen schwierig, einen Speicher auf dem Dach zu montieren, dessen Kapazität in Ländern mit saisonal geringer Sonnenscheindauer und -intensität ausreicht. ⓘ

Die Thermosiphonanlage ist nicht zu verwechseln mit dem Thermosiphonspeicher, bei dem das Thermosiphon-Prinzip genutzt wird, um einen Warmwasserspeicher mit optimaler Temperaturschichtung solar zu beladen. ⓘ

Absorbertechnik

Absorbertypen

Dachpfannenabsorber

Der Dachpfannenabsorber ist eine Absorberbauform, die die Optik des Daches nicht beeinträchtigen soll. Es handelt sich um offene Aluminium-Vollflächen-Absorber in Form eines Dachsteines. Die Absorber leiten die Wärme über Wärmeleitbleche auf ein zuvor installiertes Rohrsystem ab, welches sich unter den Dachziegeln auf der Dachlattung befindet und mit einer Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt wird. Bei der Montage müssen die Dachpfannenabsorber per Leitblech auf dem Dachziegel nur noch aufgeklickt werden. Dachpfannenabsorber sind aufgrund fehlender Abdeckung robust, können jedoch weder die Absorptionsleistung noch die Isolation anderer Kollektoren erreichen, weshalb sie wenig effizient sind. ⓘ

Schwimmbadabsorber/ Absorbermatten

Sogenannte Schwimmbadabsorber sind Matten aus UV-beständigem schwarzem Kunststoff, die in der Nähe von Swimmingpools oder Freibädern ausgelegt oder aufgestellt werden. Die Matten bestehen aus Schläuchen oder aus einer Plattenheizkörper-ähnlichen Form aus Polyethylen, durch welche das Schwimmbadwasser direkt hindurchgepumpt wird – dadurch wird ein Wärmetauscher überflüssig. Im Vergleich zu anderen Kollektoren erreichen solche Absorbermatten nur moderate Temperaturerhöhungen, was aber bei dem genannten Verwendungszweck nicht ins Gewicht fällt. ⓘ

Flächen- oder Plattenabsorber

Der Absorber hat die Form einer Platte (Flachkollektor). Die Wärmeüberträgerflüssigkeit wird durch Kupferrohre geführt, die mit den Plattenabsorbern durch Löten, Schweißen oder Falzen verbunden sind, um die Wärmeleitfähigkeit sicherzustellen. Eine andere Bauform sind aufeinander gelegte und miteinander verbundene profilierte Kupferplatten, deren Profilzwischenraum von der Trägerflüssigkeit direkt durchströmt wird (Streifenabsorber, auch sunstrip genannt). Sie sind großtechnisch einfach und effizient herstellbar. ⓘ

Röhrenabsorber

Als Röhrenabsorber werden solche Bauweisen bezeichnet, bei denen das von der Wärmeträgerflüssigkeit durchflossene Rohr selbst als Absorber dient bzw. nur durch verhältnismäßig schmale zusätzliche seitliche Absorberflächen ergänzt wird. Röhrenabsorber finden sich beispielsweise in bestimmten Bauformen von Vakuumröhrenkollektoren, bei denen in den vakuumierten Glasröhren ein wasserführendes Absorberrohr verläuft, ggf. durch ein schmales angelötetes Absorberblech ergänzt. Auch Schwimmbadabsorber (siehe oben) werden gelegentlich als Röhrenabsorber bezeichnet, wenn sie aus dicht nebeneinander laufenden Schläuchen bestehen. ⓘ

Hybridabsorber

PV/T- oder auch PVT-Systeme kombinieren Photovoltaik (PV) mit thermischer (T) Nutzung der Sonnenenergie. Die PV-Zellen – besonders die aus kristallinem Silizium – haben jedoch mit steigender Temperatur sinkende Wirkungsgrade. Daher sind besonders Niedertemperatursysteme für PVT geeignet. In der Regel wird zwischen der offenen und der abgedeckten PVT-Bauweise unterschieden. Bei ersterer kann Umgebungsluft zwischen Solar- und Thermiemodul einströmen; die Bauweise ist für Solarthermie optimiert. Eine abgedeckte Bauweise ohne Zwischenraum zwischen den Modulen ist dagegen primär auf die Stromgewinnung ausgelegt. ⓘ

Luftabsorber

Möglich ist auch die Verwendung von Luft als Wärmeträger. Man spricht dann von einem Luftkollektor. Die erhitzte Luft wird meist direkt in den zu heizenden Raum gepumpt und dient sowohl der Belüftung als auch der Heizung. ⓘ

Massivabsorber

Massivabsorber sind in der Regel Teil des Bauwerks. Eine massive Mauer, Wand- oder Dachfläche wird durch Solarstrahlung und Umgebungsluft erwärmt. Im Inneren des Bauteils verlaufen Rohrleitungen mit Wärmeträgerflüssigkeit. Die in der Flüssigkeit gespeicherte Wärmeenergie wird meist durch eine Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. ⓘ

Stagnationstemperatur

Ist jene Temperatur, die der Kollektor bei Normeinstrahlung von 1000 W/m² im Leerlauf ohne Solarflüssigkeit erreicht. Die Höhe der Stagnationstemperatur des Kollektors hängt von dessen Güte ab. Meistens findet man in den Zertifikaten von Kollektoren Temperaturen, die sich zwischen 170 und 230 Grad Celsius bewegen; bei einigen Kollektoren wird diese Temperatur mit über 300 °C angegeben. Je besser ein Kollektor isoliert ist, desto höher ist diese Temperatur. Jeder Kollektor muss so konstruiert sein, dass er diese Extremtemperaturen auch schadlos übersteht. Eine beschleunigte Alterung tritt jedoch, je nach Konstruktion und Fabrikat, mehr oder weniger immer auf. Sammelrohre aus Kupfer verzundern bei wiederholt andauernder Stagnation. Es gibt auch Kollektoren mit Edelstahlsammelrohren. Wird ein in Stagnation befindlicher Kollektor mit kalter Solarflüssigkeit befüllt, so kann die plötzliche Abkühlung zu Schäden führen. Eine Neubefüllung sollte daher bei abgedecktem Kollektor oder in den frühen Morgenstunden oder am Abend erfolgen. ⓘ

Geschichte

Montage von Sonnenkollektoren (1987) ⓘ

Das Prinzip der Solarthermie wird seit langem angewandt: Brenn- und Hohlspiegel gab es schon in der Antike. Die Verwendung von Sonnenenergie geht auf den griechischen Mathematiker und Erfinder Archimedes von Syrakus (285–212 v. Chr.) zurück, der angeblich mit Hilfe von Brennspiegeln die römische Flotte in Brand setzte. ⓘ

Im 18. Jahrhundert erfand der Naturforscher Horace-Bénédict de Saussure die Vorläufer der heutigen Solar-Kollektoren. Er baute im 18. Jahrhundert einen einfachen Holzkasten mit schwarzem Boden und Glasabdeckung. Mit diesem ersten Sonnenkollektor erreichte er eine Temperatur von 87 °C. ⓘ

Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelte der Franzose Augustin Mouchot die Solarkollektoren de Saussures weiter und kombinierte sie mit Brennspiegeln. 1878 stellte er auf der Pariser Weltausstellung eine Solar-Dampfmaschine vor. Er schlug vor, mit Hilfe dieser Dampfmaschinen die Sonnenenergie in Elektrizität umzuwandeln. ⓘ

Einsatzbereiche: Haushalt bis Industrie

Sonnenkollektor wird montiert ⓘ

Die bekannteste und häufigste Anwendung der Solarwärme ist die Warmwasser­bereitung im Privathaushalt. Bei geeigneter Auslegung von Kollektorfläche und Speicher­volumen reicht sie in Mitteleuropa während des gesamten Sommerhalbjahres zum Waschen und Baden. Theoretisch kann die Solarwärme auch das ganze Jahr über den Bedarf eines Haushalts decken, allerdings wird dann die Anlage entweder sehr viel größer und liefert im Sommer sehr viel mehr Wärme, als genutzt werden kann, oder man benötigt einen Saisonwärmespeicher. Effiziente Anlagen können auch im Winterhalbjahr konventionelle Wärmequellen ergänzen. Der Anteil einer Solaranlage an der Warmwasserbereitstellung liegt über das Jahr gesehen zwischen 50 und 60 %, was ca. 14 % des Heizenergiebedarfs entspricht. ⓘ

Die ersten großflächigen Anwendungen waren seit der Energiekrise der 1970er Jahre die Beheizung von öffentlichen und zunehmend auch privaten Schwimmbädern. Ein weiterer Aufschwung in der Verbreitung der Warmwasserkollektoren in Deutschland wurde nicht zuletzt durch verschiedene Förderprogramme des Bundes und der Länder erreicht. Auch Industriebetriebe nutzen die Sonnenstrahlung seit langem als Prozesswärme. So ist u. a. das Anwärmen von Biomasse­kulturen – etwa zur Erzeugung von Biogas – produktionsreif. Werden höhere Verfahrenstemperaturen benötigt, kommen Parabolrinnen-Kollektoren in Frage. ⓘ

Vier Kollektoren auf einem Hausdach ⓘ

Acht Kollektoren auf einem Hausdach ⓘ

Zur Raumheizung sind größere Kollektoranlagen sinnvoll. Bei Standardheizungen kann sie im Jahresschnitt durchaus zweistellige Prozentsätze zur Heizenergie beitragen und daher die Heizkosten merklich senken. Setzt man auch einen Saisonwärmespeicher ein, ist es sogar möglich, im Sommerhalbjahr so viel Wärme zu speichern, dass der Heizenergiebedarf das ganze Jahr über gedeckt werden kann. Einschränkungen ergeben sich nur bei zu niedriger montierbarer Kollektorfläche im Verhältnis zum Jahres-Heizenergiebedarf, etwa bei mehrgeschossigen Häusern. Saisonwärmespeicher nutzen die Wärmekapazität von Wasser, Kies oder Beton oder die Latenzwärme von Sole oder Paraffin. Häuser mit passiv solarer Bauweise oder Sonnenkollektoren und Saisonwärmespeicher werden auch unter dem Begriff Sonnenhaus geführt. ⓘ

Um auch an bewölkten und regnerischen Tagen genügend Warmwasser sicherzustellen, ist in der Thermischen Solaranlage ein Warmwasserspeicher mit Wärmetauscherfunktion eingebaut, der für einzelne Haushalte – je nach Personenanzahl (Familiengröße) und Nutzungsverhalten – von etwa 300 bis 1500 Liter Wasserfüllung reicht. Bei größeren Wohneinheiten, Krankenhäusern, Hotels usw., die wegen der Größe und der deutlich kontinuierlicheren Nutzung relativ günstige Amortisationszeiträume haben können, kommen oft angepasste Industriespeicher zum Einsatz. Um einen höheren Wärmebedarf oder bei bedecktem Himmel mangelnde Wärme aus dem Kollektor zu kompensieren, ist im Warmwasserspeicher entweder ein Heizstab eingebaut oder der Speicher ist über einen weiteren eingebauten Wärmetauscher mit dem Heizkessel des Hauses verbunden. ⓘ

Solarballons

18-m³-Solarballon schwebt über einer Wiese ⓘ

Die schwarze Hülle eines Solarballons besteht meist aus dünner leichter Plastikfolie. Im Innern des Solarballons ist normale Umgebungsluft, deren Dichte durch die Erwärmung sinkt. Demzufolge ist der Solarballon eine Unterart des Heißluftballons. Der so entstehende Auftrieb liegt typischerweise um die 100 Gramm pro Kubikmeter, selten höher. ⓘ

Wirtschaftliche Betrachtung

Sonnenkollektorsysteme sind generell vor allem hinsichtlich der niedrigen Betriebskosten attraktiv, da sie ohne einen Brennstoffbedarf nur geringe laufende Kosten verursachen. Darüber hinaus fällt alle zwei Jahre eine Wartungsüberprüfung an. Anders als bei der passiven Solararchitektur, die schon den Entwurf der Gebäudehülle betrifft, lassen sich Kollektorsysteme oft einfach in bestehende Gebäude integrieren, weswegen die wirtschaftliche Abwägung bei Altbauten oft nur zwischen einem Sonnenkollektorsystem oder anderen aktiven Heizungsformen stattfindet. Bei einem solchen Vergleich sollten grundsätzlich auch die Umweltauswirkungen einbezogen werden. Auch ist das System sehr einfach zu handhaben, da z. B. keine Restasche entfernt werden muss, wie etwa bei vielen Pelletheizungen. ⓘ

Da der Heizenergiebedarf aber schon durch die Gebäudedämmung beeinflusst werden kann, ist eine ausschlaggebende Frage, ob man verfügbare Mittel generell in eine größer bemessene Heizung oder stattdessen in bessere Wärmedämmung investiert. Die Antwort hängt von der vorhandenen Dämmung sowie den baulichen Möglichkeiten zur Anbringung einer größeren Kollektorfläche bzw. dem Einsatz anderer Heizungsformen ab, einschließlich des vollständigen Verzichts auf eine Heizung bei Neubauten mit passiver Solararchitektur. ⓘ

Bei der Auslegung einer Heizung muss man zwischen dem alleinigen Einsatz mit bestimmten Saisonwärmespeichern, und dem kombinierten Einsatz mit einer anderen Heizungsform unterscheiden. Die Wahl der Technologie für die saisonale Zwischenspeicherung ist mitbestimmend für die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems. Die klassische Beschränkung eines Kollektorsystems auf „Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung“ kann grundlegend falsch sein, sofern die Anschaffungskosten für den Saisonwärmespeicher nur gering genug sind. Hier muss man von dem konkreten Produktpreis für das jeweilige Gesamtsystem ausgehen, sowie Lebensdauer und laufende Kosten berücksichtigen. Oft lässt sich gerade durch die technisch vergleichsweise einfache saisonale Zwischenspeicherung der Wärme, etwa mit weitgehend verlustfreien thermochemischen Wärmespeichern, großen oder zumindest gut isolierten Puffer-Wärmespeichern, oder ebenfalls verlustarmen Latentwärmespeichern niedrige Gesamtkosten erreichen. Auch eine mögliche Nachführung der Kollektoren, oder eine Änderung des Aufstellwinkels zum Winter hin, kann das Preis-Leistungs-Verhältnis beeinflussen. ⓘ

In Deutschland wurden 2014 Sonnenkollektoren mit einer Gesamtfläche von 900.000 m² neu installiert, in Österreich lag 2013 die neu installierte Gesamtfläche bei 150.000 m². ⓘ

Energetische Amortisation

Sonnenkollektorsysteme verursachen während des Betriebes keine direkten Emissionen und verringern im Vergleich mit konventionellen Heizungssystemen CO₂- und Feinstaub-Emissionen. Bereits in wenigen Monaten hat ein Kollektor die gleiche Menge an Energie der Heizung zugeführt, die für die Produktion usw. des Kollektors aufgewendet werden musste. Abhängig von Standort (d. h. jährlicher Solarstrahlung) und verwendeter Technik (verglaster und unverglaster Kollektoren) liegt die Energetische Amortisationszeit zwischen 2 und 12 Monaten, die Kohlenstoffdioxid­rücklaufzeit bei 1–2 Monaten für unverglaste und 12 und 30 Monaten für verglaste Kollektoren. ⓘ