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4.) Der Sonnenkollektor

Zum Inhaltsverzeichnis

4.) Der Sonnenkollektor 16
 
 

4.1.) Stand der Technik 16 4.1.1.) Einsatzbedingung und Leistungsfähigkeit 16

4.1.2.) Nachteile und Schwächen 18

4.2.) Der Luftkollektor 23 4.2.1.) Anforderungen 23

4.2.2.) Anbindung in die Heizung 24

4.2.3.) Montage und Produktion 27

4.3.) Konzentrierender Rinnenkollektor 28 4.3.1.)Prinzip und Funktion 28

4.3.2.) Beschreibung der Komponenten 29

4.4.) Vor- und Nachteile im Vergleich. 33

4.5.) Tabellen und Werte zum Rinnenluftkollektor 34

4.1.) Stand der Technik
 

Mittel- und langfristig kommt der Verwendung von Sonnenkollektoren zur Wärmeerzeugung eine immer größere Bedeutung zu. Die Industrie bietet hierfür verschiedene Kollektortypen an.
 
 

4.1.1) Einsatzbedingung und Leistungsfähigkeit


Eine Solaranlage herkömmlicher Bauart, mit Flach- oder Vakuumröhrenkollektoren, dient in erster Linie der Brauchwasserbereitung in den Sommermonaten, erst in zweiter Linie der Raumheizungsunterstützung in der Übergangszeit. Der typische und wirtschaftliche Einsatz dieser Kollektoren ist die Brauchwassererwärmung.

Diese Einschränkung setzt einen konventionellen Heizkessel mit allen nötigen Komponenten wie Öltank, Schornstein und Steuerung voraus, so daß die Solaranlage nur eine Ergänzung darstellt. Diese Ergänzung der Heizanlage kostet 12.000 DM - 15.000 DM, dafür erhält der Betreiber 5m² - 6m² Kollektorfläche mit einem ca. 400 l großen Speichertank. Diese Anlage erwärmt das Brauchwasser für drei bis vier Personen, allerdings nur in den Sommermonaten, bei entsprechender Strahlleistung der Sonne; und selbst im Sommer gibt es Perioden, in denen der Heizkessel zugeschaltet werden muß.

In der Übergangszeit ist die Kollektorfläche von 5m² - 6m² zu gering bemessen, so daß die Brauchwassererwärmung nur an wirklich schönen Tagen gewährleistet ist. Ein Nachteil der heutigen Solaranlagen tritt so mit der zu gering bemessenen Kollektorfläche in Erscheinung. Dieser Nachteil kommt durch den Anspruch, nur das Brauchwasser zu erwärmen, nicht zum Tragen. Bei der Gesamtwärmebedarfsrechnung nimmt die Brauchwassererwärmung hingegen einen geringen Stellenwert ein.

Eine erheblich vergrößerte Kollektorfläche würde mit der wirtschaftlich sinnvollen Vergrößerung des Wärmespeichers in der Übergangszeit einen höheren Deckungsgrad erreichen, und so etliche sonnenlose Tage überbrücken. Für die Sommermonate wäre die Solaranlage zu groß bemessen und hätte Überkapazität; für die Wintermonate müßte auch weiterhin eine Feuerungsanlage betrieben werden.

Bedingt durch die erheblich höheren Kosten zum Nutzen der Brauchwassererwärmung scheidet eine größere Solaranlage unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten aus.
 
 
 
 
 
 

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Die einzig sinnvolle Alternative besteht darin, die konventionelle Heizanlage komplett durch eine Solaranlage zu ersetzten, und so die Komponenten Heizkessel, Öltank, Kamin sowie die Steuerung einzusparen.

Werden die Folgekosten für Brennstoff und Wartung auch in die Solaranlage investiert, kann die Solaranlage eine Leistungsfähigkeit erreichen, die eine hundertprozentige Deckung des Wärmebedarf gewährleistet.

Bei einem spezifischen Wärmebedarf von ca. 100 W/K, wie er dem sehr gut gedämmten Haus entspricht, und der minimalsten durchschnittlichen solaren Energieeinstrahlung von 1KWh/d im Dezember (Voraussetzung für diese Annahmen ist eine Dachschräge von 30° mit einer optimalen Ausrichtung nach Süden im Raum Würzburg, siehe Tabelle 2 ) müßte bei einem 50%igen Kollektorwirkungsgrad ungefähr 100m² Kollektorfläche installiert sein. Allerdings sind die solaren Strahlungswerte im Winterzeitraum und speziell im Dezember so gering, daß zumindest Flachkollektoren keinen 50%igen Wirkungsgrad erreichen.
 
 

Mittlere monatliche Tagessummen der Globalstrahlung auf eine nach Süden geneigte Fläche.
Flächenneigung: 30°, Raum Würzburg, Einheit: kWh/m²
 
 

Tabelle2:
 
 
 
Monat
Oktober
November
Dezember
Januar
Februar
März
kWh/m²
2,60
1,29
0,98
1,17
2,18
3,25

 
 
 

Die im Wirkungsgrad qualitativ besseren Vakuumröhrenkollektoren scheiden bei 100m² Kollektorfläche und einem Preis um 2000 DM/m² aus.

Auch die Flachkollektoren mit einem günstigeren Preis von 600 - 800 DM/m² sprengen den finanziellen Rahmen des Bauherrn. Benötigt wird demnach ein wirklich preiswerter Kollektor mit einem durchschnittlichen Wirkungsgrad von 50% und mehr in der winterlichen Heizperiode.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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4.1.2.) Nachteile und Schwächen


Flachkollektoren besitzen unter diesen Anforderungen keine solide Basis. Ganz im Gegenteil lassen weitere Nachteile auch die Flachkollektoren als ungeeignet erscheinen.
 
 

4.1.2.1.) Prinzipielle Systemnachteile
 
 

Einige Nachteile und ungünstige Bedingungen seien hier erwähnt.
 
 

· Kastenbauweise Begründet durch die Aufdachmontage als auch die integrierte Dachmontage werden Flachkollektoren in einer witterungsbeständigen und gut gedämmten Kastenbauweise gefertigt. Jeder dieser Module besitzt fest installierte Anschlüsse zur Aufnahme der Wärmeträgerflüssigkeit. Gebräuchlich sind hier Wasser- Alkoholmischungen wie auch spezielle Öle. · Sauber verlötet (druckdicht) Durch die Verwendung einer Flüssigkeit als Wärmeträger müssen die Rohrprofile zur Wärmeaufnahme, die sog. Absorberprofile im Innern der Module, sauber verlötet und druckdicht verarbeitet sein. · Frostsicher/überkochen Die Konzeption der Flachkollektoren muß bei strenger Kälte frostsicher ausgeführt sein, außerdem muß die "Leerlaufsicherheit", also das Überkochen im Sommer bei voller Sonneneinstrahlung und Stromausfall (z.B. bei einem Gewitter), sichergestellt sein. Bei Wasser als Wärmeträger wird die Frostsicherheit durch Alkoholzusätze erreicht. Wärmeträgeröle sind an und für sich frostsicher. · Wärmetauscher In jedem Fall wird ein Wärmetauscher zum Heizungswasser nötig, denn das Heizungswasser würde durch Gefrieren die Kollektoren zerstören. · Ausdehnungsgefäß Zwingend notwendig bei der Verwendung einer Wärmeträgerflüssigkeit ist ein zusätzliches Ausdehnungsgefäß, um die Flüssigkeitsausdehnung ausgleichen zu können. Weiter ist eine hohe Drucksicherheit des Kollektorkreislaufes nötig, um ein Überkochen im Sommer zu verhindern. · Keine preiswerte Fertigung Diese qualitativ hochwertigen Lötverbindungen des Absorbers in Verbindung mit der Fertigung zu einzelnen Modulen, läßt bei den Flachkollektoren sicher keine preiswertere Produktion zu.

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4.1.2.2.) Thermische Nachteile
 
 

· Wärmeabstrahlung

Wärmeabstrahlung

Ein weiterer Nachteil stellt bei den Flachkollektoren die relativ große Absorberfläche nach vorne dar. Dadurch wird eine große Wärmeabstrahlfläche geschaffen, die die geradeeben absorbierte Lichtenergie in Form von Wärmestrahlung sowie Konvektion sofort wieder nach vorne abgibt. Abhilfe versprechen die selektiven Schichten der Absorberplatte, die sehr gut Lichtenergie absorbieren, aber Wärmestrahlung nur schlecht emitieren. -Auch die Beschichtungen haben eine verhältnismäßig hohen Preis-. Tabelle 3:
 
 
 
Schicht

material

Grund

material

a e a /e Bewertung
Schwarz

chrom

Kupfer

Aluminium

0,96
0,12
8
gute Bestän

digkeit gegen

Feuchte

Schwarz

nickel

 
0,96
0,07
13,7
Beständigkeit

geringer als

Schwarz

chrom

Schwarz

kufper

Kupfer
0,9
0,16
5,7
Feuchte

empfindlich

Eisenoxid
Stahl
0,85
0,1
8,5
Schichtdicke

empfindlich

ALCOA-Black
Aluminium
0,9
0,3
3
extrem fest
AlO-Mo-

Schicht 

Interferenz

Mölybdän
0,91
0,085
10,3
 
SiO-Schicht

Inerferenz

Chrom
0,88
0,11
8
 
Kobaltsulfid
 
0,93
0,04
23,25
 
Schwarze

anstriche-

Selektivfarbe

Pigment CuO


 
 

Stahl

Aluminium

0,92-0,98
 
 
 
 

0,95

0,86-0,9
 
 
 
 

0,3-0,47

1
 
 
 
 

2-3

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

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· Spezialglas Viele Kollektoranbieter benutzen zur Kollektorabdeckung Spezialglas das einen hohen Energiedurchlaßgrad von über 90% gegenüber 85% von normalem Weißglas besitzt. Die besseren optischen Eigenschaften werden durch einen 4x höheren Preis von ca. 150 DM/m² erkauft.
 
 
 
Tabelle 4: Energiemittelwerte.
 
 
 
 
Transmission
Reflektion
Absorption
ALBARINO
91%
8%
1%
normales weißes Glas
85%
8%
7%

 
 
 
 
 
 
 

Diagramm 1: Vergleich des UV-Transmissionsgrades von weißem Glas und speziellem

Sonnenkollektorglas.


 
 
 

.

Lit.8)

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Diagramm 2: Vergleich des Spektralen Transmissionsgrades von weißem Glas und

speziellem Sonnenkollektorglas.


 
 

· Mindesteinstrahlenergie Einen gravierenden Nachteil stellt die Wärmeträgerflüssigkeit selbst dar. Durch die große spezifische Wärmekapazität der Wärmeträgermedien, besonders jener auf Wasserbasis, benötigen sie eine erhebliche Mindesteinstrahlenergie, um wenigstens auf ein bescheidenes Temperaturniveau zu kommen. · Frostspeicher Weiter wird durch die hohe spezifische Wärmekapazität, nach einer kalten Nacht der Nachtfrost in der Wärmeträgerflüssigkeit der Flachkollektoren quasi als "unterkühlte" Flüssigkeit gespeichert. Die ersten Sonnenstrahlen müssen zuerst die Trägerflüssigkeit von den nächtlichen Minusgraden auf Plusgrade erwärmen, diese "Auftauenergie" ist für eine Nutzung verloren.
 
 
 
 

.

Lit.8)

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· Zeitliche Wärmeverluste Weiter erwärmt sich, wieder bedingt durch die hohe Wärmekapazität, der Kollektorkreislauf im Winter und bei geringer Strahlleistung der Sonne nur langsam, gibt aber die ganze Zeit Verlustwärme an die kältere Umgebung ab. Sie ist um so höher, je langsamer die Erwärmung erfolgt. · Bei Warmwasserheizung höhere Temperaturen erf. Da der Kollektorkreislauf zwingendermaßen mit dem Heizkreislauf verbunden sein muß, soll die Höhe der erforderlichen Mindesttemperatur des Kollektorkreislaufes, selbst bei absoluter Niedertemperaturheizung, 35°C - 40°C betragen; bei Berücksichtigung von Wärmetauschverlusten sollte sie noch höher sein. Bei der Brauchwassererwärmung sollte die Temperatur mind. 60°C betragen, um der Gefahr einer Legionellenbildung im Brauchwasser vorzubeugen. Durch die hohen Temperaturen, die bei der Verwendung einer Warmwasserheizung der Räume nötig werden, sinkt unweigerlich der Kollektorwirkungsgrad; besonders bei geringer Strahlleistung der Sonne und geringen Außentemperaturen. · Große Trägheit Einen zusätzlichen Aspekt stellt die Tatsache dar, daß eine kurzzeitige nennenswerte Sonnenbestrahlung die Wärmeträgerflüssigkeit in den Wintermonaten nicht schnell genug auf die von der Warmwasserheizung benötigte Temperaturen erwärmt. Wieder bewirkt die hohe Wärmekapazität von Wasser, daß diese Energie für eine Verwendung verloren geht; diese Kollektoren sind zu träge. · Nicht konzentrierend wirkend Als letzter Punkt tritt negativ in Erscheinung, daß ein Flachkollektor durch seine ebene, flache Bauweise nicht konzentrierend wirkt; er besitzt keinen "Brennglaseffekt". Durch die nur von einer Seite beschienene Absorberfläche stellt sich immer nur eine ganz bestimmte Höchsttemperatur ein. Diese Temperatur ist natürlich um so geringer, je niedriger die Strahlleistung der Sonne ist. Konzentrierende Kollektoren erreichen bei der selben Strahlleistung höhere Temperaturen als Flachkollektoren. Gerade in der kalten Jahreszeit versprechen diese Temperaturerhöhungen einen unverzichtbaren zusätzlichen Wärmegewinn.
 
 
 
 
 
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4.2.) Der Luftkollektor
 
 
 
 

Bei diffusem Licht, konzentrierender Sonnenkollektor für Luftbetrieb mit speziell gestaltetem Glasisolierkörper und Absorberblech.
 
 

4.2.1.) Anforderungen Ein für den Winterbetrieb optimierter Kollektor muß mit einer schnellen Temperaturerhöhung bei kurzzeitiger Sonnenbestrahlung reagieren, wie sie bei schlechtem Herbst- und Winterwetter des öfteren eintritt.

Auch bei mäßiger Strahlleistung, z.B. völliger Bewölkung, sollte der Temperaturanstieg rasch erreicht werden, um zeitliche Wärmeverluste zu vermeiden; dadurch kann die in der Luft enthaltene Wärmeenergie früher abgeleitet werden.

Diese Vorgabe ist nur dann zu erreichen, wenn auf Wasser oder Öl mit seiner hohen spezifischen Wärmekapazität verzichtet wird. Benötigt wird ein Wärmeträgermedium mit einer geringen spezifischen Wärmekapazität, wie sie z.B. Luft besitzt.

Die Größe der Wärmekapazitäten zwischen Wasser und Luft beträgt im Vergleich, sofern noch das Volumen berücksichtigt wird, 5000:1. Das bedeutet, daß sich 1dm³ Luft bei gleicher Energieeinstrahlung 5000 mal schneller erwärmt als 1dm³ Wasser.

Luft stellt demnach das ideale Wärmeträgermedium dar.

Das Temperaturniveau der Wärmeversorgung der Kollektoren sollte sich an den Wärmebedarf des Hauses anlehnen. So sollte das Temperaturniveau gerade so niedrig sein, daß die Wärmeversorgung gewährleistet ist. Die eigentliche Temperaturhöhe des Wärmebedarfs sind die 20°C - 22°C der Raumwärme.

Warum sollte der Wärmefluß des Kollektors den Umweg über die Zentrale Warmwasserheizung nehmen und dabei einen unnötig hohen "Temperaturgipfel" von 50°C erklimmen. Viel sinnvoller erscheint, die Raumluft direkt zu erwärmen.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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4.2.2.) Anbindung in die Heizung In die nötige Zwangslüftung, wie sie sich durch die strenge Wärmeschutzverordnung ergibt, läßt sich die Wärmeversorgung, von den Luftkollektoren zu den Wohnräumen integrieren. Durch eine zentrale Zuführung, z.B. in die Decke des Flures oder Ganges, wird die Warmluft in die Wohnung eingebracht und durch Entlüftungsöffnungen in den einzelnen Räumen die kühlere Luft wieder entfernt.

Leider kann die Raumluft nicht direkt von den Kollektoren erwärmt werden. Die schadstoffbeladene Luft mit Staub, Rauch und Fettdünsten aus der Küche würde die Absorberbleche und Glasscheiben der Kollektoren verschmutzen. Hier muß mit einem Plattenwärmetauscher gearbeitet werden.

Diese Art der Wärmeversorgung bietet die Möglichkeit, mit Hilfe einer Luft-Luft-Wärmepumpe zusätzlich Wärmeenergie aus dem Kollektorkreislauf zu entnehmen und der Raumluft zuzuführen. So kann auch noch bei geringster Strahlleistung genügend Heizwärme produziert werden. Durch die Temperaturabsenkung im Kollektorkreislauf steigt außerdem der Wirkungsgrad der Kollektoren, so daß sie mehr Solarenergie einfangen können als ohne eine Temperaturabsenkung.

Da die Luft-Luft-Wärmepumpe nicht die hohen Temperaturen einer Luft-Wasser-Wärmepumpe erreichen muß, sondern nur die zur momentanen Raumheizung nötigen Temperaturen, ergibt sich eine phantastisch hohe Leistungszahl von bis zu 8. (Die Leistungszahl gibt das Verhältnis von Nutzwärme zu der benötigten elektr. Energie der Wärmepumpe an).
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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Diagramm 3: Theoretische Leistungszahl e bei verschiedenen Kondensationstemperaturen.

Die praktische Leistungszahl e liegt bei ca.60...70%.
 


 

Die Kosten einer Luft-Luft-Wärmepumpe sind die günstigsten in der ganzen Wärmepumpenfamilie.
 
 

Tabelle 5: Vergleich der Kosten verschiedener Wärmepumpentypen.
 
 
 
Wärmequelle
Luft
Grundwasser
Erdreich
Investitionskosten

je KW

200...300.-DM
600...1000.-DM
800...1000.-DM

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

.

Lit.6) S.459

Lit.6) S.463

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Bei genügend hoher Strahlleistung von der Sonne kann auf den Wärmepumpeneinsatz verzichtet werden. Der Wärmebedarf wird dann einzig und alleine durch den Luft-Platten-Wärmetauscher gewährleistet.

Steigt die Strahlleistung der Sonne weiter an, so daß ein erheblicher Überschuß zum momentanen Wärmebedarf entsteht, wird dieser Überschuß von einem weiteren Luft-Wasser-Wärmetauscher in den Pufferspeichertank der Solaranlage geleitet.

Die höhere Strahlleistung der Sonne erhöht auch das Temperaturniveau der Überschußwärme. Je nachdem, wie schnell die erhitzte Luft aus den Kollektoren entfernt wird, ergibt sich eine bestimmte Temperatur, wenn nötig bis weit über 100°C.

Jedoch braucht die Temperatur nicht höher zu sein, als sie die Warmwasserheizung zum Radiatorbetrieb mit Fußbodenheizung und zur Brauchwassererwärmung benötigt (von 40°C -

60°C). Jede Temperaturerhöhung hätte einen Rückgang des Kollektorwirkungsgrades zur Folge.

Bei genügend hoher Strahlleistung sind die Luftkollektoren durch den Luft-Wasser-Wärmetauscher an die herkömmliche Warmwasserheizung angebunden und versorgen diese mit Überschußwärme zur Versorgung des Wärmebedarfs bei Nacht und sonstigen ungünstigen Tagen.

Bei normaler oder geringer Solarleistung versorgt tagsüber der Luft-Luft-Wärmetauscher oder die Luft-Luft-Wärmepumpe die Räume mit Wärme.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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4.2.3.) Montage und Produktion Die benötigt große Kollektorfläche von ca. 100m² reicht aus, um eine ganze Dachhälfte mit den Kollektoren zu belegen; die Dachabdeckung mit Ziegeln oder Eternitplatten entfällt.

Durch die große Fläche entfällt auch die Kastenbauweise in Modulen. Ganz im Gegenteil werden die Luftkollektoren in langen Bahnen längs zum Dach des Hauses montiert. Die Montage gestaltet sich einfacher als bei den Flachkollektoren; schließlich muß nichts verlötet und drucksicher angeschlossen werden.

Auf ein Ausdehnungsgefäß kann dank Luftbetrieb verzichtet werden. Weiter ist der Luftkollektor ohne Aufwand frostsicher und besitzt eine ungefährlich hohe Leerlauftemperatur. Ist das Dach von unten wärmegedämmt, so kann der Luftkollektor auf eine Wärmedämmung verzichten.

Da im Winter der Himmel meistens bedeckt ist, lassen sich kaum noch UV-Bestandteile im Lichtspektrum finden. Auf das teure Sonnenkollektorglas, das speziell diese UV-Anteile besser als normales Weißglas durchscheinen läßt, kann ebenfalls verzichtet werden.

Weiter sind am Anfang der Luftkollektorlaufbahnen die Temperaturen durch die geringen Strahlleistungen so niedrig, daß die selektive Beschichtung der Absorberfläche eingespart werden kann. Gegen Ende der Kollektorbahnen kann durch die Erwärmung der Luft eine hochselektive Beschichtung eingesetzt werden, um die dann verstärkt entstehende Wärmeabstrahlung zu unterdrücken.

Der geringen Wirkungsgradverschlechterung durch den Gebrauch von normalem Weißglas und der Verwendung von unbeschichteten Absorberblechen stehen erhebliche finanzielle Einsparungen gegenüber.

Weitere Einsparungen werden durch den Wegfall von Rohrabsorber, Lötverbindungen, Wärmeträgerflüssigkeit, Ausdehnungsgefäß sowie der Kastenbauweise in Modulen ermöglicht. Ein Preis von 200 DM/m² für den Luftkollektor ist realistisch.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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4.3.) Konzentrierender Rinnenkollektor
 
 
 
 

4.3.1.)Prinzip und Funktion Der Luftkollektor ist als sog. Rinnenkollektor konzipiert. Ein wannenförmiger Spiegel wirft das Licht in die Mitte dieser Rinne auf eine Brennlinie, die sich mit der Kollektorsenkrechten deckt.

Diese Brennlinie stellt den Versuch dar, diffuses Licht, wie es bei völliger Bewölkung vorherrscht, auf eine geringere Fläche Absorberblech leicht konzentriert zu reflektieren. Zusätzlich wird in der Kollektormitte das Absorberblech von beiden Seiten der Rinne beschienen, so daß nun doppelt soviel Strahlleistungsenergie auf das selbe Segment Absorberblech trifft und dieses auch doppelt so stark erwärmt; -bei einem Flachkollektor wird das Absorberblech nur von der Vorderseite bestrahlt-.

Weiter ist das Absorberblech in der Rinnenmitte noch von einem speziellen Glaskörper umgeben, um nicht sämtliche Luft erwärmen zu müssen, die sich in der Kollektorrinne befindet. Dieser Glaskörper dient der Wärmedämmung des wärmeren Absorberbereiches zum kälteren Spiegelbereich.

Da bei Licht ab einem gewissen Auftreffwinkel auf Glas eine Totalreflektion eintritt, muß der innere Glasröhrenkörper eine bestimmte, durch den Reflektorspiegel definierte Form besitzen, um immer einen relativ senkrechten Strahlendurchgang des diffusen Lichtes zu gewährleisten. Die Spiegelrinne ist nach außen zusätzlich von einer Glasscheibe bedeckt, um die Kollektorkomponenten vor Witterungseinflüssen zu schützen.

Der Rinnenluftkollektor kann in Kastenbauweise gefertigt werden; nötig ist aber nur ein Skelett, das die Rinnenform gewährleistet und die Montage auf dem Dach ermöglicht.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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4.3.2.) Beschreibung der Komponenten Zum besseren Verständnis werden die einzelnen Kollektorkomponenten zusätzlich durch Abbildungen erklärt.
 
 

Die Abbildung 1:

Zeigt die Ansicht des Kollektors in Kastenbauweise als fortlaufender Rinnenkollektor. Zu sehen ist die Eintrittsöffnung der kalten Luft vorne unten in den Glaskörper, sowie die Austrittsöffnung der erwärmten Luft aus dem "Dreieckskanal". Zu erkennen ist auch der wannenförmige Spiegelreflektor aus poliertem Aluminiumblech (Reflektionsgrad über 90%).
 


 
 
 
 
 
 

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Die nächste Abbildung 2 zeigt des Absorberblech z.B. aus Kupfer. Der untere glatte Bereich wird von beiden Seiten der Sonne beschienen. Der sich aufteilende obere Bereich ist mit Löchern versehen, so daß die Luft von unten kommend durch die Löcher in den Dreieckskanal einmünden kann. Das Absorberblech kann zusätzlich mit einer hochselektiven Beschichtung versehen werden.
 
 
 
 
 
 

Abbildung 2: Das Absorberblech.
 


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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Die Abbildung 3 zeigt den fortlaufenden dünnwandigen Glaskörper aus Borsilikatglas. Der Glaskörper ist an den Flanken, bis auf einen schmalen Luftüberströmsteg in der Mitte, bogenartig eingedrückt, um dem Licht einen relativ senkrechten Strahlendurchgang zu ermöglichen. Die eigentliche Funktion ist die Trennung, d.h. Isolierung des wärmeren Absorberraumes zum kälteren Spiegelraum, der nicht mit erwärmt werden soll. Zu diesem Zweck kann der Glaskörper nach außen noch mit einem IR-Reflektor, also einer Silberdampfbeschichtung versehen werden. Dieser IR-Reflektor würde die selektive Beschichtung des Absorbers ersetzen.
 
 
 
 

Abbildung 3: Der Glaskörper


 
 
 

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Die Abbildung 4 zeigt die Seitenansicht des Kollektors mit den Benennungen der Einzelteile. Weiter die Kollektorsenkrechte und die Strahlengänge des Lichtes aus verschiedenen Winkeln durch die Abdeckscheibe; die Reflektion am Spiegel sowie dem relativ senkrechten Strahlendurchgang durch den Glaskörper und der Absorption am Absorber. Außerdem die Darstellung der Proportionen durch LE (Längeneinheiten).
 
 
 
 
 
 

Abbildung 4: Seitenansicht des Kollektors.
 


 
 
 

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4.4.) Vor- und Nachteile im Vergleich.
 
 

Eine Aufstellung von Vor- und Nachteilen von Flach- und Luftkollektor soll den Stand vergegenwärtigen.
 
 

Tabelle 5:
 
 
 
Anforderung
Flachkollektor
Luftkollektor
Kastenbauweise in Modulen
ja
nein
verlötet und druckdicht
ja
nein
frost- und überkochsicher
nein
ja
Wärmetauscher
ja
ja
Ausdehnungsgefäß
ja
nein
große Wärmeabstrahlfläche nach vorne
ja
nein
selektive Beschichtung
ja
eingeschrängt
Mindesteinstrahlenergie
ja
nein
speichert Nachtfrost
ja
nein
zeitliche Wärmeverluste
ja
nein
Anbindung an Warmwasser-

heizung

nötig
möglich
höhere Temperatur nötig
ja
nein
große Trägheit
ja
nein
wirkt konzentrierend
nein
ja

 
 
 
 
 
 
 

Bei einer Preisbetrachtung des Luftkollektors ergeben sich für die verschiedenen Materialien:
 
 
 
 

20- 30 DM/m² für den Aluminiumreflektor

40 DM/m² für hagelsicheres Abdeckglas

20 DM/m² für Absorberblech (Aluminium)

10 - 100 DM/m² für selektive Beschichtung

50 DM/m² für Glaskörper

50 DM/m² für Trägerskelett

.

ca. 200 DM/m² Luftkollektor
 
 
 
 
 
 
 
 

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4.5.) Tabellen und Werte zum Rinnenluftkollektor
 
 
 
 

Das folgende Diagramm 4 zeigt die erreichbaren Leerlauftemperaturen bei einer bestimmten Strahlleistung bei 0°C und 10°C Außentemperatur. Bei der Leerlauftemperatur wird dem Kollektor keine Wärme entzogen, es stellt sich eine Gleichgewichtstemperatur zwischen eingestrahlter Solarenergie und Verlustenergie durch Wärmeabstrahlung und Wärmeleitung ein.
 
 

Diagramm 4: Leerlauftemperaturen

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Die folgende Tabelle 6 zeigt die zeitliche Erwärmung bei verschiedenen Strahlleistungen ohne

Wärmeabfuhr.
 
 
 
 

Tabelle 6:
 
 
 
Zeit
Datum 17.10

Außentemp

4°C

17.10.92

Außentemp

4°C

 

11.04.92

Außentemp

6°C

 

11.04.92

Außentemp

8°C

 

10.04.92

Außentemp

17°C

 

18.07.92

Außentemp

22°C

 

min
Luft-temp.
 
 

(°C)


 
 

W/m²


 
 
 
 

(°C)


 
 
 
 

W/m²


 
 
 
 

(°C)


 
 
 
 

W/m²


 
 
 
 

(°C)


 
 
 
 

W/m²


 
 
 
 

(°C)


 
 
 
 

W/m²


 
 
 
 

(°C)


 
 
 
 

W/m²

00
6
60
5
106
37
300
53
400
19
859
23
350
01
7
60
6,5
109
40
300
57
400
31
859
29
350
02
8
60
8,5
110
45,5
300
60
400
49
840
36
350
03
9,5
60
10,5
111
50
300
64
400
67
830
44
355
04
10,5
60
12,5
112
51
300
66,5
400
83
820
49
355
05
11
60
14
112
52
300
69,5
400
95
820
53
360
06
11,5
60
15,5
113
52
300
72,5
400
   
56
355
07
12
58
16
115
52
300
74,5
400
   
59
360
08
12
55
17
115
   
76
400
   
62
360
09
12
55
18
117
   
78
400
   
63
360
10
12,5
52
18,5
117
   
79
400
   
64
360
11
12,5
52
19
115
   
80
400
   
65
360
12
13
55
19,5
112
   
80
400
       
13
13
55
20
111
   
80,5
400
       
14
13
59
20
110
   
81
400
       
15
13,5
60
20,5
110
   
81
400
       
20
14
70
21
110
               
25
                       

 
 

- 36 -
 
 

Die folgende Tabelle 7 zeigt die Wirkungsgrade bei verschiedenen Kollektortemperaturen und Strahlleistungen.
 
 

Tabelle 7:
 
 
 
 
 
Außen

temperatur

(°C)

Eintritts

temperatur

(°C)

Austritts

temperatur

(°C)

Strahl

leistung

(W/m²)

Effektiv

leistung

(W/0,92m²)

Luft

durchsatz

(kg/h)

Wirkungs

grad

h (%)

0
4
49
670
616
23,1
47
0
4
44
580
533
22
46
0
4
44
480
441
18
46
0
3
35
350
322
17,4
48
3
18
47
710
653
37,4
46
3
15
51
700
644
24,7
39
3
7
58
680
625
14,7
33
6
7
43
400
368
19
52,5
6
6
32
275
253
17,8
51
4
4
22
200
184
18
49
-4
2
7
75
69
12,8
21
-4
4
11
130
119
14
23
0
4
13
140
129
14
27,3
-2
3
12,5
100
92
4,65
13,5
-2
2
10
75
69
5,1
16,6
-2
1,5
6,5
50
46
5,8
17
-2
0
5
40
37
6
22,6
0
17,5
42
660
607
40
45
0
19
46
685
630
40
48
0
15
53
645
593
21,3
38
0
17
53
660
607
21,3
35
8
8
16
145
133
24
41
8
8
15
124
114
24
41
7
7
10,5
60
55
24.5
41
20
20
60
850
782
41,6
59
17
17
40
850
782
89.8
73,7

 
 
 

- 37 -
 
 

Die Tabelle 8 zeigt den Wärmeenergiegewinn in Kwh/m²d der Kollektoren je Tag im betreffenden Monat; erstens bei ungünstigen Temperaturen und geringsten Wärmepumpeneinsatz, zweitens bei günstigen Temperaturen und geringsten Wärmepumpeneinsatz, und drittens bei günstigen Temperaturen und hohem Wärmepumpeneinsatz.
 
 
 
 

Tabelle 8:
 
 
 
Monat
Oktober
November
Dezember
Januar
Februar
März
ungünstige

Temperatur

geringer

Wärmepumpeneinsatz

~1,0
~0,39
~0,24
~0,32
~0,87
>1,0
günstige

Temperatur

geringer

Wärmepumpeneinsatz

>1,0
~0,5
~0,38
~0,5
~1,05
>1.0
günstige

Temperatur

hoher

Wärmepumpeneinsatz

>1.0
>0,6
>0,48
>0,6
>1,05
>1,0

 

Den Berechnung wurden die Diagramme und Tabellen von Seite 45 bis Seite 56 sowie die Tabelle 7 mit den Wirkungsgraden zugrunde gelegt. Die Kollektorneigung beträgt in diesem optimalen Beispiel 30°C mit Südausrichtung.
 
 

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5.) Energieangebot von der Sonne