Solarkollektoren zur Erwärmung von Wasser und Luft – Was sind sie? Wofür sind sie?

Solarkollektoren sind Geräte zum Sammeln der Wärmeenergie der Sonne (Solaranlage), die durch sichtbares Licht und Nahinfrarotstrahlung übertragen wird. Im Gegensatz zu Sonnenkollektoren, die Strom erzeugen, erwärmt ein Sonnenkollektor das Wärmeträgermaterial.

Wird in der Regel für Warmwasser und Raumheizung verwendet.

Arten von Sonnenkollektoren

Flache Solarkollektoren

Ein Flachkollektor besteht aus einem Solarabsorberelement (Absorber), einer transparenten Abdeckung und einer Wärmedämmschicht. Der Absorber ist mit dem Wärmeleitsystem verbunden. Er ist mit schwarzer Farbe oder einer speziellen selektiven Beschichtung (in der Regel schwarzes Nickel oder Titanoxid) beschichtet, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Das transparente Element besteht in der Regel aus gehärtetem Glas mit reduziertem Metallanteil oder einem speziellen gerillten Polycarbonat. Der hintere Teil der Platte ist mit einem wärmeisolierenden Material (z. B. Polyisocyanurat) abgedeckt. Die Rohre, die das Wärmeträgermedium führen, bestehen aus vernetztem Polyethylen oder Kupfer. Die Platte selbst ist luftdicht und die Öffnungen sind mit einem Silikondichtstoff abgedichtet.

Ohne Wärmezufuhr (Stagnation) können Flachkollektoren Wasser auf bis zu 190-210 °C erhitzen.

Je mehr einfallende Energie auf das im Kollektor fließende Wärmeträgermedium übertragen wird, desto höher ist sein Wirkungsgrad. Dieser kann durch die Verwendung spezieller optischer Beschichtungen erhöht werden, die im Infrarotspektrum keine Wärme abstrahlen.

Vakuum-Solarkollektoren

Im Modus der Wärmerückgewinnungsbegrenzung können die Temperaturen der Wärmeträgerflüssigkeit auf bis zu 250-300 °C erhöht werden. Dies kann durch die Verringerung von Wärmeverlusten durch die Verwendung von Verbundglasabdeckungen, Versiegelung oder Vakuum in den Kollektoren erreicht werden.

Eine Solarthermieröhre ist ähnlich aufgebaut wie eine Haushaltsthermoskanne. Nur der äußere Teil der Röhre ist transparent, und die innere Röhre hat eine hochselektive Beschichtung, die die Sonnenenergie einfängt. Zwischen der äußeren und der inneren Glasröhre befindet sich ein Vakuum. Die Vakuumschicht sorgt dafür, dass etwa 95 % der eingefangenen Wärmeenergie erhalten bleiben.

Vakuum-Solarkollektoren verwenden ebenfalls Wärmerohre, die als Wärmeleiter fungieren. Wenn das System vom Sonnenlicht bestrahlt wird, erhitzt sich die Flüssigkeit im unteren Teil der Röhre und wird zu Dampf. Der Dampf steigt zum oberen Ende der Röhre (Kondensator), wo er kondensiert und die Wärme an den Kollektor abgibt. Durch diese Anordnung lässt sich bei niedrigen Temperaturen und wenig Licht ein höherer Wirkungsgrad (im Vergleich zu Flachkollektoren) erzielen.

Moderne Solarkollektoren für den Hausgebrauch sind in der Lage, Wasser bis zum Siedepunkt zu erhitzen, selbst bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt.

Das Wärmeträgermedium (Wasser, Luft, Öl oder Frostschutzmittel) wird durch Zirkulation im Kollektor erwärmt und anschließend in einen Speicher geleitet, der das Warmwasser für den Verbraucher speichert.

In der einfachen Version erfolgt die Wasserzirkulation auf natürliche Weise aufgrund von Temperaturunterschieden im Kollektor. Diese Lösung erhöht den Wirkungsgrad der thermischen Solaranlage, da der Wirkungsgrad des Solarkollektors mit zunehmender Temperatur des Wärmeträgermediums abnimmt.

Es gibt auch Speicher-Solaranlagen, bei denen es keinen separaten Speicher gibt und das erwärmte Wasser direkt im Solarkollektor gespeichert wird. In diesem Fall ist das System ein rechteckiger Speicher.

Vor- und Nachteile von Flach- und Vakuumkollektoren

Solarkonzentrator-Kollektoren

Eine Erhöhung der Betriebstemperaturen auf 120-250 °C ist durch den Einsatz von Konzentratoren in den Solarkollektoren mit parabolozylindrischen Reflektoren, die unter den Absorberelementen angebracht sind, möglich. Für höhere Betriebstemperaturen sind Nachführeinrichtungen für die Sonne erforderlich.

Solare Luftkollektoren

Solarluftkollektoren sind Geräte, die die Energie der Sonne zur Erwärmung der Luft nutzen. Solarluftkollektoren werden am häufigsten zur Beheizung von Räumen und zur Trocknung landwirtschaftlicher Produkte eingesetzt. Die Luft strömt aufgrund natürlicher Konvektion oder durch den Einfluss eines Ventilators durch den Absorber.

Einige Solarlufterhitzer sind mit Ventilatoren ausgestattet, die an der Absorberplatte angebracht sind, um die Wärmeübertragung zu verbessern. Der Nachteil dieser Konstruktion ist, dass der Betrieb der Ventilatoren Energie verbraucht und somit die Betriebskosten des Systems erhöht. In kälteren Klimazonen wird die Luft in den Spalt zwischen der Absorberplatte und der isolierten Rückseite des Kollektors geleitet: Wärmeverluste durch die Verglasung werden so vermieden. Wird die Luft jedoch nicht mehr als 17 °C über die Außentemperatur erwärmt, kann das Wärmeträgermedium ohne größere Effizienzverluste auf beiden Seiten der Absorberplatte zirkulieren.

Die wichtigsten Vorteile von Luftverteilern sind ihre Einfachheit und Zuverlässigkeit. Bei ordnungsgemäßer Wartung kann ein Qualitätskollektor 10-30 Jahre lang halten und ist sehr einfach zu bedienen. Ein Wärmetauscher ist nicht erforderlich, da die Luft nicht einfriert.

Anmeldung

Solarkollektoren werden für die Beheizung von Industrie- und Wohnräumen, für die Warmwasserversorgung von Produktionsprozessen und für den häuslichen Bedarf eingesetzt. Die meisten Produktionsprozesse, bei denen Warm- und Heißwasser (30-90 °C) verwendet wird, finden in der Lebensmittel- und Textilindustrie statt, die somit das größte Potenzial für den Einsatz von Solarkollektoren hat.

Im Jahr 2000 betrug die Gesamtfläche der Solarkollektoren in Europa 14,89 Millionen m² und weltweit 71,341 Millionen m².

Solarkollektoren – Konzentratoren können mit Hilfe von photovoltaischen Zellen oder einem Stirlingmotor Strom erzeugen.

Solarkollektoren können in Meerwasserentsalzungsanlagen eingesetzt werden. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) schätzt, dass die Kosten für entsalztes Wasser bis 2030 auf 40 Cent pro Kubikmeter sinken werden.

In Russland

Nach Untersuchungen des OIVT RAS beträgt die durchschnittliche tägliche Sonneneinstrahlung während der Warmzeit (März-April bis September) in den meisten Teilen Russlands 4,0-5,0 kWh/m² (5,5-6,0 kWh/m² in Südspanien, bis zu 5 kWh/m² in Süddeutschland). Damit ist es möglich, mit einem 2 m² großen Sonnenkollektor mit einer Wahrscheinlichkeit von bis zu 80 %, also fast täglich, etwa 100 Liter Wasser für den Hausgebrauch zu erwärmen. Bei der durchschnittlichen jährlichen Sonneneinstrahlung liegen Transbaikalien, Primorje und Südsibirien an der Spitze. Dahinter folgen der Süden des europäischen Teils (etwa bis 50º N) und ein großer Teil Sibiriens.

Die Nutzung von Solarkollektoren in Russland beträgt 0,2 m²/1000 Personen. In Deutschland werden 140 m²/1000 Personen betrieben, in Österreich 450 m²/1000 Personen, in Zypern rund 800 m²/1000 Personen.

Während des Sommers sind die meisten Teile Russlands bis zu 65º N durch hohe Werte der durchschnittlichen Tagesstrahlung gekennzeichnet. Im Winter nimmt die Menge der einfallenden Sonnenenergie je nach Breitengrad der Anlage um ein Vielfaches ab.

Für den ganzjährigen Einsatz müssen die Geräte eine große Oberfläche, zwei Frostschutzkreisläufe und zusätzliche Wärmetauscher haben. In diesem Fall werden vakuumisolierte Kollektoren oder Flachkollektoren mit hochselektiver Beschichtung eingesetzt, da der Temperaturunterschied zwischen Heizmedium und Außenluft größer ist. Eine solche Konstruktion ist jedoch teurer.

Kollektoren werden derzeit vor allem in der Region Krasnodar, in Burjatien, in der Region Primorski und in der Region Chabarowsk gebaut.

Solartürme

Die Idee eines industriellen Solarkraftwerks wurde erstmals in den 1930er Jahren von dem sowjetischen Ingenieur N. V. Linitsky vorgeschlagen. Darin bestand das System zum Einfangen der Sonnenstrahlen aus einem Feld von Heliostaten – flachen Reflektoren, die von zwei Koordinaten gesteuert wurden. Jeder Heliostat reflektierte die Sonnenstrahlen auf die Oberfläche eines zentralen Empfängers, der über dem Heliostatenfeld angebracht war, um den Einfluss der gegenseitigen Abschattung auszuschalten. Der Receiver ähnelt in Größe und Parametern einem herkömmlichen Dampfkessel.

Wirtschaftliche Bewertungen haben gezeigt, dass der Einsatz großer Turbinengeneratoren von 100 MW in solchen Anlagen machbar ist. Die typischen Parameter sind Temperatur 500 °C und Druck 15 MPa. Unter Berücksichtigung der Verluste war eine Konzentration von etwa 1000 erforderlich, um diese Parameter zu erreichen. Diese Konzentration wurde durch die Steuerung der Heliostaten in zwei Koordinaten erreicht. Die Stationen mussten mit Wärmespeichern ausgestattet sein, um den Betrieb der thermischen Maschine bei fehlender Sonneneinstrahlung zu gewährleisten.

Seit 1982 wurden in den USA mehrere Turmkraftwerke mit Kapazitäten von 10 bis 100 MW gebaut. Eine detaillierte wirtschaftliche Analyse dieses Anlagentyps ergab, dass unter Berücksichtigung aller Baukosten 1 kW installierte Leistung etwa $1150 kostet. Eine kWh Strom kostet etwa 0,15 $.

Parabolische Konzentratoren

Параболоцилиндрические концентраторы имеют форму параболы, протянутую вдоль прямой.

1913 baute Frank Schumann in Ägypten eine parabolozylindrische Konzentrator-Wasserpumpstation. Die Station bestand aus fünf Konzentratoren von je 62 Metern Länge. Die reflektierenden Oberflächen bestanden aus gewöhnlichen Spiegeln. Die Station erzeugte Wasserdampf, der etwa 22 500 Liter Wasser pro Minute pumpte.

Ein parabolozylindrischer Spiegelkonzentrator bündelt die Sonnenstrahlung in einer Linie und kann das Hundertfache ihrer Konzentration liefern. Im Brennpunkt der Parabel befindet sich ein Rohr mit einem Wärmeträger (Öl) oder eine photovoltaische Zelle. Das Öl wird in der Röhre auf eine Temperatur von 300-390 °C erhitzt. Im August 2010 testete das NREL die Anlage von SkyFuel. Während des Tests wurde der thermische Wirkungsgrad der parabolozylindrischen Konzentratoren bei einer Kühlmitteltemperatur von 350 °C mit 73 % nachgewiesen[5].

Parabolozylinderspiegel werden in Längen von bis zu 50 Metern hergestellt. Die Spiegel sind auf einer Nord-Süd-Achse ausgerichtet und in Reihen von mehreren Metern angeordnet. Das Wärmeträgermedium gelangt in einen Wärmespeicher zur weiteren Stromerzeugung durch einen Dampfturbinengenerator.

Zwischen 1984 und 1991 wurden in Kalifornien neun Parabolrinnen-Kraftwerke mit einer Gesamtkapazität von 354 MW gebaut. Die Stromkosten betrugen etwa 0,12 $ pro kWh.

Das deutsche Unternehmen Solar Millennium AG baut ein Solarkraftwerk in der Inneren Mongolei, China. Die Gesamtkapazität des Kraftwerks wird bis 2020 auf 1.000 MW steigen. Die Leistung der ersten Stufe wird 50 MW betragen.

Das erste thermische Solarkraftwerk mit 50 MW wurde im Juni 2006 in Spanien gebaut. In Spanien könnten bis 2010 Parabolrinnen-Kraftwerke mit einer Leistung von 500 MW gebaut werden.

Die Weltbank finanziert den Bau ähnlicher Kraftwerke in Mexiko, Marokko, Algerien, Ägypten und dem Iran.

Die Konzentration der Sonneneinstrahlung ermöglicht es, die Größe der Solarzelle zu verringern. Dadurch verringert sich jedoch ihr Wirkungsgrad, und es ist eine Art Kühlsystem erforderlich.

Parabolische Konzentratoren

Parabolische Konzentratoren haben die Form eines Rotationsparaboloids. Der Parabolspiegel wird durch zwei Koordinaten gesteuert, wenn er der Sonne nachgeführt wird. Die Energie der Sonne wird auf eine kleine Fläche konzentriert. Die Spiegel reflektieren etwa 92 % der einfallenden Sonnenstrahlung. Im Brennpunkt des Reflektors ist ein Stirlingmotor oder eine Photovoltaikzelle auf einer Halterung montiert. Der Stirlingmotor wird so positioniert, dass sich die Heizfläche im Brennpunkt des Reflektors befindet. Der Stirlingmotor verwendet normalerweise Wasserstoff oder Helium als Arbeitsmedium.

Im Februar 2008 erreichten die Sandia National Laboratories in einer Anlage, die aus einem parabolischen Konzentrator und einem Stirlingmotor besteht, einen Wirkungsgrad von 31,25 %.

Anlagen mit Parabolspiegeln von 9-25 kW sind derzeit im Bau. Anlagen für Privathaushalte mit einer Leistung von 3 kW werden derzeit entwickelt. Der Wirkungsgrad solcher Systeme liegt bei etwa 22-24 % und damit höher als der von Fotovoltaikzellen. Die Kollektoren werden aus herkömmlichen Materialien hergestellt: Stahl, Kupfer, Aluminium usw., ohne Verwendung von “solar grade” Silizium. Die Metallindustrie verwendet so genanntes “metallurgisches Silizium” mit einem Reinheitsgrad von 98 %. Für die Photovoltaik wird “solar grade” oder “solar purity” Silizium mit einem Reinheitsgrad von 99,9999 % verwendet.

Im Jahr 2001 betrugen die Kosten für mit Solarkollektoren erzeugten Strom 0,09-0,12 $/kWh. Das US-Energieministerium sagt voraus, dass die Kosten für mit Solarkonzentratoren erzeugten Strom bis 2015-2020 auf 0,04-0,05 $ sinken werden.

Stirling Solar Energy entwickelt große Solarkollektoren von bis zu 150 kW mit Stirling-Motoren. Das Unternehmen baut in Südkalifornien das größte Solarkraftwerk der Welt. Bis 2010 wird es über 20.000 Parabolrinnenkollektoren mit einem Durchmesser von 11 Metern verfügen. Die Gesamtkapazität des Kraftwerks kann auf 850 MW erhöht werden.

Fresnel-Linsen

Fresnel-Linsen werden verwendet, um die Sonnenstrahlung auf die Oberfläche einer photovoltaischen Zelle oder auf ein Kühlmittelrohr zu konzentrieren. Es werden sowohl Ring- als auch Bandlinsen verwendet. Der Begriff LFR wird im Englischen als linearer Fresnel-Reflektor verwendet.

Vertrieb

Im Jahr 2010 waren weltweit 1.170 MW an solarthermischen Kraftwerken in Betrieb. Davon 582 MW in Spanien und 507 MW in den USA. Insgesamt sind 17,54 GW an solarthermischen Kraftwerken geplant. Davon 8.670 MW in den USA, 4.460 MW in Spanien und 2.500 MW in China. Im Jahr 2011 gab es 23 Hersteller und Anbieter von Flachkollektoren aus 12 Ländern; 88 Hersteller und Anbieter von Vakuumkollektoren aus 21 Ländern.