Für eine erfolgreiche Anlagenplanung und Auswahl von Komponenten ist es wichtig, die Leistungskennwerte der Kollektoren zu kennen.

Größenbezeichnungen

Als Bezugsgrößen für Leistungs- oder Ertragsangaben werden bei Kollektoren drei verschiedene Flächenangaben verwendet:

Bruttokollektorfläche
Die Bruttokollektorfläche ergibt sich aus den Außenmaßen eines Kollektors, also aus Länge mal Breite der Außenkanten. Dieser Wert ist wichtig für die Planung der Montage und der benötigten Dachflächen. Auch für den Antrag auf Fördermittel ist häufig die Bruttokollektorfläche ausschlaggebend.

Absorberfläche
Die Absorberfläche bezieht sich ausschließlich auf den Absorber, gemessen wird die aktive Fläche eines Kollektors. Bei Finnenabsorbern werden die Überlappungen der einzelnen Streifen nicht mitgerechnet, da die verdeckten Bereiche nicht zur aktiven Fläche gehören. Bei runden Absorbern zählt die gesamte Absorberfläche, auch wenn hier bestimmte Bereiche nie der direkten Sonnenstrahlung ausgesetzt sind. Die Absorberfläche kann deshalb bei Rundabsorbern größer sein als die Bruttokollektorfläche.

Aperturfläche
Mit Aperturfläche wird die in der Regel mit einer Glasfläche abgedeckte Öffnung eines Kollektors bezeichnet, durch die die Solarstrahlung eintreten kann. Bei Vakuum-Röhrenkollektoren mit flachen Absorbern ist die Aperturfläche das Produkt aus Innendurchmesser und Länge der Glasröhre. Die Aperturfläche ist die übliche Bezugsgröße für den Kollektorwirkungsgrad.

 

Flächenbezeichnungen

Flächenbezeichnungen

Solarkollektoren  

Kollektorwirkungsgrad

Mit dem Wirkungsgrad eines Kollektors bezeichnet man den Anteil der Sonnenstrahlung, der in nutzbare Wärmeenergie umgewandelt wird.

Grundlage für die Berechnung ist der Teil der Strahlung, der auf die Aperturfläche trifft. Aus dem Verhältnis zwischen der Einstrahlung auf die Aperturfläche und der Strahlungsleistung, die auf dem Absorber ankommt und in Wärme umgewandelt werden kann, wird der optische Wirkungsgrad errechnet. Dieser wird mit eta Null bezeichnet. Wird ein Kollektor von der Sonnenstrahlung erwärmt, gibt er einen Teil der Wärme an die Umgebung ab – durch Wärmeleitung des Kollektormaterials, Wärme­strahlung (Reflexion) und Luftbewegung (Konvektion). Diese Verluste werden mit Hilfe der Wärmeverlustbeiwerte k1 und k2 und des Temperaturunterschieds ΔT (sprich: delta T) zwischen dem Absorber und der Umgebung berechnet. Die Temperaturdifferenz wird in K (= Kelvin) angegeben.

Der optische Wirkungsgrad und die Verlustbeiwerte sind die wesentlichen Kenngrößen eines Kollektors. Sie werden nach einem in der Europäischen Norm EN 12975 beschriebenen Verfahren ermittelt und sind in den Datenblättern der Geräte angegeben.

Energieflüsse im Kollektor

Nicht alles Licht, das den Kollektor erreicht, kann zur Wärmeerzeugung genutzt werden (optische Verluste). Von der im Kollektor erzeugten Wärme geht ein kleiner Teil verloren (thermische Verluste).

Energieflüsse im Kollektor

Die Leistung eines Kollektors ist abhängig vom Betriebszustand. Je größer die Differenz zwischen der Innentemperatur des Kollektors und der Außentemperatur, desto höher sind seine thermischen Verluste. Damit sinkt auch der Wirkungsgrad. Wird dem Kollektor keine Wärme entzogen (weil die Pumpe steht und die Wärmeträgerflüssigkeit nicht mehr zirkuliert), erhitzt sich der Kollektor bis zur sogenannten Stillstandstemperatur.

In diesem Fall sind die thermischen Verluste genauso groß wie die aufgenommene Strahlungsleistung, die Leistung des Kollektors ist null.

In Deutschland erreichen handelsübliche Flachkollektoren im Sommer Stillstandstemperaturen von über 200 °C und Vakuum-Röhrenkollektoren ca. 300 °C.

Charakteristische Wirkungsgrade

Charakteristische Wirkungsgrade

Mit zunehmender Temperaturdifferenz zur Umgebung steigt das Risiko zur Überhitzung. Kollektoren mit Überhitzungsschutz bieten hier Vorteile.

Überhitzungsschutz

Stillstandstemperaturen von 200 °C und mehr mögen ein Qualitätsmerkmal von Kollektoren sein, führen aber zu unerwünschten Effekten. Bei solch hohen Temperaturen verdampft das Solarmedium und dehnt sich rasch und weit im Solarkreis aus. Die hohe thermische Belastung von Komponenten (z. B. Rohrdämmung, Dichtungen, Pumpe) und des Wärmeträgermediums führt unweigerlich zu Schäden.

Stillstandstemperaturen im Kollektor sind ­leider nicht nur eine theoretische Größe, sondern kommen im Sommer durchaus vor. Bei großzügig ausgelegten Anlagen (z. B. zur Heizungsunterstützung) ist der Speicher-Wassererwärmer oder Heizwasser-Puffer­speicher mitunter schon am Vormittag bis zum Maximum erwärmt. Oder die Nutzer der Solaranlage sind für Wochen im Urlaub. Stillstand oder Stagnation mit allen Folgen ist also kein ungewöhnlicher Betriebszustand.

Thermografie

Thermografie

Bilder mit der Infrarotkamera machen die Funktion der Thermochromschicht sichtbar. Links: Der Kollektor ist auf 20 °C erwärmt. Die abgestrahlte Temperatur beträgt über die gesamte Absorberfläche 15,8 °C.

Rechts: Der Kollektor ist auf 100 °C erwärmt. Die abgestrahlte Temperatur beträgt im unteren Teil des Absorbers (konventionelle Beschichtung) 30,4 °C, im oberen Teil (ThermProtect-Beschichtung) jedoch ca. 90 °C.

Dem Phänomen des Überhitzungsschutzes begegnete Viessmann bisher mit größeren Ausdehngefäßen, Vorschaltgefäßen und Stagnationskühlern. Nun ist man an die Quelle des Problems gegangen: die Absorberbeschichtung.

Neben der Anforderung, möglichst viel Licht in Wärme zu wandeln (ca. 95 % Absorption), soll eine Absorberschicht nur minimal Wärme abstrahlen (ca. 6 % Emission). Dadurch erwärmt sich der Absorber bis zu den o.g. kritischen Temperaturen. Es sei denn, die Emission würde ab einer bestimmten Temperatur des Absorbers wieder zunehmen.

Kristallstruktur

Links: Bis 75 °C dehnt sich die Beschichtung mit gleichbleibender Kristallstruktur aus. Die optischen Eigenschaften bleiben unverändert.

Rechts: Ab 75 °C verändert sich die Kristallstruktur bei der weiteren Ausdehnung. Damit ändern sich auch die optischen Eigenschaften.

Kristallstruktur

Im Rahmen eines Forschungprojektes ist es gelungen, eine Absorberschicht zu entwicklen, die sich ab einer Temperatur von 75 °C anders verhält als übliche Beschichtungen. Die neue Beschichtung besteht aus mehreren Ebenen. Eine dieser Ebenen ist Vanadiumdioxid (VO2), das bei höheren Temperaturen seine Kristallstruktur verändert und damit auch eine wesentliche optische Eigenschaft ändert.

Die optische Eigenschaft der Absorption bleibt über alle Temperaturen konstant (ca. 95 %), die optische Eigenschaft der Emissivität dagegen steigt ab einer Temperatur von ca. 75 °C an. Mit zunehmender Erwärmung strahlt der Absorber mehr und mehr Wärme ab. Und damit steigen auch die Wärmeverluste des Kollektors, die Kollektortemperatur nimmt nur noch wenig zu, die Stillstandstemperatur liegt deutlich unter den bisher üblichen Werten.

Temperaturbegrenzung mit ThermProtect

Temperaturbegrenzung mit ThermProtect

Vorteil der ThermProtect-Beschichtung: Im Stagnationsfall zeigt sich ein deutlich flacherer Verlauf der Kollektortemperatur. Ab 75 °C nehmen die Wärmeverluste des Kollektors mit ThermProtect-Beschichtung stetig zu. Die Maximaltemperatur liegt daher deutlich unterhalb konventioneller Kollektoren.

Sinkt die Temperatur des Absorbers, geht die Kristallstruktur wieder in den ursprünglichen Zustand zurück und die Emission verringert sich wieder auf den Minimalwert. Dieser Vorgang ist physikalisch stabil und kann unendlich oft wiederholt werden. Der Wechsel der Kristallstruktur ist also unbegrenzt reversibel und in diversen Tests unter harten Klimabedingungen auf Dauerhaftigkeit geprüft. Diese schaltende Absorberschicht vermeidet Dampfbildung im Solarkreis, schützt die Komponenten vor Überhitzung und belässt den Kollektor permanent in Betriebsbereitschaft. So ermöglicht die neue Absorberschicht auch erhöhte Kollektorerträge gegenüber herkömmlichen Flachkollektoren, denn der Kollektor kann jederzeit wieder Wärme liefern.

Zudem kann aufgrund der geringeren thermischen Belastungen der Komponenten mit einer längeren Lebensdauer der Anlage gerechnet werden – selbst und besonders bei hochdimensionierten Anlagen.

Dampfdruckkurve Tyfocor LS

Um eine Dampfbildung im Kollektor sicher zu vermeiden, muss der Systemüberdruck an höchster Stelle 3 bar betragen. Aufgrund der Temperaturbegrenzung der ThermProtect-Beschichtung kann der Wärmeträger (Tyfocor LS) dann nicht in die Dampfphase gelangen.

Dampfdruckkurve Tyfocor LS

Temperaturabschaltung ThermProtect

Einfache Anlagenplanung

Die Temperaturabschaltung arbeitet völlig unabhängig von Anlagenkonfigurationen und Regelungseinstellungen. Anlagen mit Vitosol 200-FM oder Vitosol 100-FM sind vollkommen eigen­sicher. Die thermischen Belastungen von Komponenten und Wärmeträger­medium bleiben immer im Normalbereich. Nutzungsdauer und Betriebs­sicherheit gegenüber herkömmlichen Solaranlagen erhöhen sich deutlich.

Neben dem robusten Betrieb sind Kollektoren mit ThermProtect zudem unempfindlich gegen eine Fehldimensionierung. Sie lassen sich jetzt mit vereinfachtem Planungsaufwand realisieren – ohne dafür Vorkehrungen für den Stagnationsfall treffen zu müssen.

 

Bei Anlagen mit aktivem Therm-Protect Betrieb wird Dampf­bildung zuverlässig vermieden.