4 Sonnenergie: Solaranlage mit Kollektoren - Solarkollektor Solarenergie: radio101.de/solarenergie

Solarkollektor: Aufbau, Funktionsweise, Innenleben

Bau einer Solaranlage: Hier ein kleines Anschauungsbeispiel in Text und Bildern.

Auf dem Dach eines Hauses in den österreichischen Alpen befinden sich 20 Quadratmeter Sonnenkollektoren; 4 Kollektorfelder mit einer Breite von 5 Metern und einer Höhe von 1 m (mehr Breite als Höhe wegen Mimimierung der Sturmrisiken).

rechts: das Dach mit zwei der Solarkollektoren.

Prinzip eines Solarkollektors: Strahlung (sichtbares Licht, aber auch die unsichtbaren Teile wie infrarote Wärmestrahlung) wird absorbiert. Dabei wird die Energie in Wärmeenergie umgewandelt und mittels Kühlflüssigkeit abtransportiert.

Bild links: Wir haben mal einen Ziegelstein in den Solarkollektor fallen lassen. ;-) Man sieht dann (hier beim Kollektor im Vordergrund des Bildes) das Innenleben: unter dem Schutzglas ist eine dunkle absorbierende Metallfläche, unter die zur Kühlung die Rohre angelötet sind, die mit Kühlflüssigkeit durchströmt werden.

Montage

Die Montage erfolgte mittels eines Kranwagens, der die Kollektoren (Gewicht: 130 kg) auf das Dach hievte. (mehr Bilder der Montage hier)

Sonnenkollektor (click to enlarge - anklicken zum Vergrößern)

Solarkollektoren: Installation / Montage (anklicken zum Vergrößern)

Solarkollektoren: Montage eines Solarkolletors (anklicken zum Vergrößern)

die Gestelle, auf denen die Kollektoren mit 60° aufgeständert werden
(anklicken zum Vergrößern)

Die Sonnenkollektoren sind zur Winteroptimierung mit 60 Grad aufgeständert. Dazu dienen Aluminiumschienen.

Die Solaranlage dient zur Brauchwassererwärmung und zum Beheizen des Hauses. Das Haus liegt in knapp 1000m Höhe, was zur Folge hat, dass auch bei Wetterlagen mit Talnebel etc. dort oben noch die Sonne scheint; aber auch in anderen Regionen, z.B. in Norddeutschland dürfte man ähnliche Effekte zumindest mit einer grösseren, z.B. doppelten Fläche an Sonnenkollektoren (also 40m²) und evtl. mehr Speichervolumen erzielen.

Funktionsweise: In 20 qm Flächen- bzw. Vakuum-Sonnenkollektoren wird durch die Sonneneinstrahlung nicht direkt das Brauchwasser sondern zunächst ein Glykol-Wasser-Gemisch erwärmt. (Grund: das Glykol dient als Frostschutz; die Anlage soll ja vor allem auch im Winter Wärme liefern und in den Nächten frostsicher sein).
Der Kreislauf mit dem Wasser - Glykolgemisch wird bei Überschreiten einer einstellbaren Temperaturdifferenz (dazu dient ein sogenannter Solarregler) per elektrischer Pumpe in Gang gesetzt. Die Solarflüssigkeit wird in einen Wärmetauscher geleitet, der den Solarspeicher - genauer: den Schichtspeicher aufheizt.

Schichtspeicher (Bild rechts), Prinzip: Der Trick bei einem Schichtspeicher besteht darin, dass sich oben das heisseste Wasser und unten das kälteste Wasser sammelt. Das hat zur Folge, dass in den Sonnenkollektor nicht, wie sonst üblich, mehr oder minder schon bereits stark erwärmtes Wasser gelangt, sondern gezielt immer nur das allerkälteste Wasser des gesamten Systems, was den Wirkungsgrad der Kollektoren (bzw. die dort absorbierte Wärmemenge) verbessert. Besonders im Winter kann man dadurch (zusammen mit den gut isolierten Vakuum-Kollektoren) bereits dann schon zumindest den unteren Bereich des Schichtspeichers erwärmen, wo hingegen Systeme ohne Schichtspeicher eine unnötig höhere Vorlauftemperatur haben.

Auch im Winter sollte selbst bei Minusgraden problemlos - zumindest, wenn die Sonne scheint - eine Vorlauftemperatur von 40 Grad und mehr erreicht werden, so dass diese Temperatur sowohl für Badewasser als auch für Fussbodenheizungen vollkommen ausreicht. Allerdings kommt es nicht nur auf die Temperatur an, sondern auch sehr auf die Menge des erwärmten Wassers; jedes Solarsystem kann man durch Verringerung der Durchflussgeschwindigkeit auf sehr hohe Temperaturen bringen, so dass der Laie dann denkt, er hat eine besonders gute Solaranlage, weil seine 70 Grad statt wie beim Nachbarn nur 50 Grad liefert. Nur: 10 liter Wasser mit 70° enthalten eben sehr viel weniger Energie als 50 l mit 40° ! (genauer: 10 l Wasser, die man auf 70°C erwärmt, enthalten bei z.B. 20° Anfangstemperatur nur ca. die Hälfte von 50l mit 40°, ergibt sich aus Temperaturdifferenz mal Volumen).

Wenn Brauchwasser entnommen wird, erwärmt ein Wärmetauscher im Schichtspeicher das durchströmende kalte Leitungswasser. Damit es stets eine gleichbleibende Temperatur hat, wird es noch in einem mechanischen, vollautomatisch arbeitenden Mischer mit kaltem Wasser vermischt (Bild rechts).

Da das (Brauch-)Wasser erst unmittelbar vor dem Gebrauch erwärmt wird, hat man durch die Verwendung des Wärmetauschers im Schichtspeicher selbst bei niedrigen Temperaturen von 30-40 Grad keinerlei Probleme mit Legionellen oder anderen Krankheitserregern. Letztere können sich immer dann vermehren, wenn Wasser (und zwar das Brauchwasser, nicht die etwaige Wasser-Glykolmischung im Wärmespeicher vor dem Wärmetauscher, denn da ist´s wegen der Trennung der Kreisläufe egal) tagelang lauwarm gehalten wird, wie es bei manchen Solarsystemen z.B. im Winter vorkommen kann - oder in Schwimmbädern etc..

Links: die in den Schichtspeicher von der Seite eingeschraubte Heizpatrone (Heizstab) der Zusatzheizung, falls der Speicher in länger anhaltenden dunklen Zeiten einmal zu sehr abkühlt.

Primär dient die Solaranlage der Brauchwassererwärmung. Das besondere "Zuckerl": Jeglicher Überschuss des Systems geht jedoch in einen speziellen niedertemperatur-Aluminium-Flächenheizkörper (Bild links), der mit bis zu 4 kW das Innere des Hauses erwärmt, so dass zu zwei Drittel bis Dreiviertel des Jahres nicht oder kaum noch zusätzlich geheizt werden muss.

Das das Haus zuvor perfekt mit einer 20cm Styroporisolierung wärmegedämmt wurde, dient die Steinmasse der Wände und des Untergrundes dabei als grosser Wärmespeicher.

Perfektionieren kann man das Ganze noch dadurch, dass man zwei oder mehr Photovoltaik-Solarmodule (also elektrische statt thermische Kollektoren) mit je 50 Watt zusätzlich auf das Dach montiert (die ggfs. über einen Wechselrichter ins Netz eingespeist werden). Denn diese Solarmodule liefern den Strom passenderweise ja gerade dann, wenn die Solarpumpen zur Umwälzung wegen der Sonneneinstrahlung am meisten laufen müssen. Dann kostet noch nicht einmal der (ohnehin nur geringe Stromverbrauch) der Solarpumpen etwas und die Brauchwasserwärmung und Heizung ist dann komplett kostenlos. (...gut, man muss dafür natürlich finanziell erst mal in Vorlage treteten aber gerade durch die drastisch steigenden Energiekosten ist die Amortisierungsdauer vieler Anlagen in Zukunft oft kürzer als bei Baubeginn vermutet).
Solarkollektor: Das Innenleben kann man gut sehen, wenn einem ein Stein durch die Scheibe fällt....

Bild links: Wir haben mal einen Ziegelstein in den Solarkollektor fallen lassen. ;-) Man sieht dann (hier beim Kollektor im Vordergrund des Bildes) das Innenleben: unter dem Schutzglas ist eine dunkle absorbierende Metallfläche, unter die zur Kühlung die Rohre angelötet sind, die mit Kühlflüssigkeit durchströmt werden.

Die Wirtschaftlichkeit / Amortisation der Solaranlage konnte mit ein paar Umbauten / Modifikationen (vor allem: Plazierung des Messfühlers!) noch wesentlich verbessert werden.

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