Heiße Typen im Vergleich: Kollektortypen – Grundlagenwissen für Einsteiger

Ist von einer Solarthermie-Anlage die Rede, denkt man zunächst an die Solarthermie-Kollektoren, die die Sonnenenergie „einsammeln“ und daraus Wärme zum Heizen machen. Zum Heizen von Warmwasser und von Heizwasser. Welche Kollektortypen es gibt und wie sie sich grundlegend unterscheiden, das habe ich hier mal für Einsteiger zusammengestellt.

Grundlegendes Funktionsprinzip von Solarthermie-Kollektoren

Das grundlegende Funktionsprinzip eines Solarkollektors gilt für alle Kollektortypen – und entspricht im Endeffekt der einfachsten Auslegung der Technologie in Form eines schwarzen Schlauchs, den man in der prallen Sonne platziert: Das im Schlauch stehende Wasser erhitzt sich in der Sonne – wobei die schwarze Schlauchfarbe für ein Maximum an absorbierter Wärme sorgt.

Im jedem Kollektor sitzt ein spezieller Absorber, der die Energie sammelt und an ein Wärmetransportmittel überträgt. Meist ist das eine Flüssigkeit, die man auch Solarfluid oder Solarflüssigkeit nennt: zum Beispiel ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel (Glykol) oder pures Wasser. Auch Luft kann die Wärme transportieren.

Es gibt recht unterschiedliche Kollektortypen, jeder Typ erfüllt auf seine Bauart und Funktionsweise seinen Zweck. Ein direkter Vergleich der Typen untereinander hat daher auch ein bisschen was von einem Vergleich von Äpfeln und Birnen. Doch das nur vorweg. Grundsätzlich unterscheidet man solarthermische Kollektoren in folgende Kollektortypen:

Flachkollektor

Aufbau und Funktionsweise

Ein Flachkollektor besteht aus einer Glasabdeckung aus einem speziellen Solarglas in einem Metallrahmen. Im Vergleich zu herkömmlichen Fensterglas ist Solarglas bruchsicherer und stabiler – und es lässt Sonnenlicht effizient durch. Innen befinden sich der Absorber mit selektiver Beschichtung in Form eines Absorberblechs aus Kupfer (häufiger) oder Aluminium (seltener) und ein zugehöriges Röhrensystem (sogenannte Rohrschlange) aus Kupfer. Die Glasabdeckung soll die Wärme im Kollektor halten – das Konstrukt bewirkt einen Effekt, wie man ihn vom Wintergarten oder Treibhaus her kennt: Auch bei kühleren Außentemperaturen heizen sich beide unter Einwirkung von Sonneneinstrahlung auf. Rückseitig ist der Flachkollektor gedämmt, meist mit herkömmlicher Isolation aus Mineralwolle oder aufgeschäumten Kunststoffen wie Polyurethan.

Vor- und Nachteile

Flache Kollektoren sind immer noch die am weitesten verbreiteten Solarthermie-Kollektortypen. Sie punkten mit einem recht guten Preis-Leistungs-Verhältnis (PLV), gelten als robust und langlebig und lassen sich auf dem Dach und im Dach montieren. Im zweitgenannten Fall ersetzen sie dann Teile der Dachhaut. Allerdings braucht man für einen guten Solarertrag eine vergleichsweise große Flachkollektorfläche. Wegen des mit der Fläche steigenden Eigengewichts der Kollektoren ist eine ausreichende Tragfähigkeit des Dachs sicher zu stellen.

Vakuumröhrenkollektor (VR-Kollektor)

Aufbau und Funktionsweise

Schon auf den ersten Blick fällt der Unterschied zwischen einem Röhren- und einem Flachkollektor auf: Während der flache Kollektortyp eher wie ein Dachfenster wirkt, zeigt der Röhrenkollektor die typische Röhrenoptik. Mehrere solcher Röhren (meist zwischen 5 und 30) werden jeweils zu einem Kollektor auf einem Rahmen aus Metall zusammengebaut. Die Röhren sind aus sogenanntem Borsilikatglas gefertigt, meist mit Wandstärken zwischen anderthalb und drei Millimetern. Das bezeichnende Vakuum ist eine technische Lösung, um die Wärmeverluste, die bei einem Flachkollektor recht hoch sind und dessen Leistung reduzieren, möglichst gering zu halten. Am flachen Kollektor vorbei strömende Luft trägt wegen der stattfindenden Konvektion einen großen Teil der Wärme mit sich davon. Ein nicht Wärme leitendes Vakuum zwischen Absorber und Abdeckglas würde den Wärmeverlust infolge Konvektion komplett unterbinden, ist wegen der schwer zu realisierenden Dichtheit jedoch kaum realisierbar.

Mit dem Röhrenkollektor hat man dieses Problem elegant gelöst und ein stabiles Vakuum erzielt. Man unterscheidet die Vakuumröhrenkollektoren in weitere Untertypen:

• direkt durchströmte Vakuumröhrenkollektoren (Einfachglas und Doppelglas):

Evakuierte Glasröhre mit innenliegendem Absorberstreifen (Einfachglas)

Bei diesem Kollektortyp liegt das beschichtete Absorberblech in einer evakuierten Glasröhre. Darunter ist ein konzentrischens Rohr aus Kupfer (Rohr-in-Rohr) festgemacht. Via das innere Rohr strömt das Wärmeträgermedium ein, um die absorbierte Wärme aufzunehmen, durch das äußere Rohr strömt er erwärmt aus der Röhre.

Sydney-Kollektor/ Sydney-Röhre mit Reflektor außen (CPC) oder ohne (Doppelglas)

Sydney-Kollekoren / Sydney-Röhren arbeiten prinzipiell wie eine Thermoskanne: Sie nutzen ein Vakuum zwischen zwei Glasröhren. Die Außenseite der inneren Glasröhre ist mit dem Absorber bedampft. Innenseitig liegt ein Wärmeleitblech mit einem U-Rohr (Flüssigkeitskanal), das vom Wärmemedium durchströmt wird. Vor- und Rücklaufleitungen sind an einem Sammelkasten angeschlossen (trockene Anbindung).

Das CPC steht für „Compound Parabolic Concentrator“ und weist auf einen Reflexionsspiegel hin, der parabolförmig unter jeder Röhre installiert ist. Er soll die Absorbtionsrate erhöhen, indem er auch diffus auftreffendes Licht zum Absorber lenkt. Genauer das zwischen den Röhren durchfallende Licht auf die Röhrenrückseite. Solche direkt durchströmten Sydney-Kollektoren gibt es mit CPC oder ohne.

Reflektor in einem Glas-in-Glas-Rohr (CPC)

Bei diesem Kollektortyp ist die Vakuumröhre ein Trio aus drei Glasröhren, die ineinander geschoben wurden:

1. das Hüllrohr
2. der selektiv beschichtete Absorber (für den Vorlauf)
3. das Innenrohr (für den Rücklauf)

Das Wärmeübertragermedium fließt durch diesen Kollektor im Gegenstromprinzip, der Reflektor sitzt innerhalb des Glasrohrs.

• indirekt durchströmte Vakuumröhrenkollektoren (Heatpipe-Prinzip)

Heatpipe-Kollektor nennt man einen Vakuumröhrenkollektor, in dem eine Flüssigkeit verdampft und anschließend wieder kondensiert. Die beim Kondensieren freigesetzte Wärme wird via Wärmetauscher an die Wärmeüberträgerflüssigkeit weitergegeben.

So genannte direkt durchströmte Heatpipe-Kollektoren haben ein mit  dem Wärmeträgermedium im Unterdruck durchströmtes in sich geschlossenes Röhrchen rückseitig unter dem flachen Absorber, das die Wärme aufnimmt. Erwärmt sich der Kollektor, beginnt ab etwa 25 Grad Celsius das Verdampfen der Flüssigkeit. Sie steigt als Dampf im Wärmerohr hoch, kondensiert und gibt dabei die Wärme ab, die das Wärmeträgermedium aufnimmt. Das Kondensat fließt runterwärts ins Rohr zurück.Lange brauchte das Funktionsprinzip eine Mindestneigung der Kollektorröhren, mittlerweile ist die flache Montage machbar.

Auch Heatpipe-VR-Kollektoren sind mit und ohne CPC erhältlich.

Vor- und Nachteile

Vakuumröhrenkollektoren haben einen sehr hohen und damit höheren Wirkungsgrad als ihre flachen Kollegen. Im Vergleich zu diesen sparen sie Platz, da weniger Kollektorfläche zu gleicher Leistung führt. Bautechnisch betrachtet sind Vakuumröhrenkollektoren auch leichter und somit einfacher zu händeln als Flachkollektoren. Röhrenkollektoren lassen sich auf einem schrägen wie flachen Dach installieren, ebenso an der Fassade oder einem Balkon. Sie liefern dank hohem Temperaturniveau auch winters recht gute Solarerträge.

Als nachteilig wird den Vakuum-Röhrenkollektoren ihr höherer Preis angekreidet. Auch dass ihre Technik sehr empfindlich ist und sie sich nicht komplett in das Dach integrieren lassen, wird oft nachteilig bewertet.

Eine anschauliche Übersicht zu den Vakuumröhren-Kollektortypen hat uns unser Leser Steffen Jack hier abgelegt.

Luftkollekor

Aufbau und Funktionsweise

Wie der Name schon sagt: Bei diesem Kollektortyp übernimmt Luft den Job der Wärmeübertragung. Luftkollektoren sehen Flachkollektoren ähnlich. Sie saugen frische Außenluft an, die gefiltert und mit Hilfe von Ventilatoren und Luftschächte in das zu beheizende Gebäude geleitet wird.

Vor- und Nachteile

Luftkollektoren gelten als wartungsarm und kostengünstig. Man kann sie auf einem Flachdach und an der Fassade montieren. Als Nachteil anzusehen ist, dass sie sich nicht für herkömmliche wasserbasierte Heizungssysteme eignen.

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Hybridkollekor

Hybridkollektoren vereinen die beiden Solartechnologien Solarthermie und Photovoltaik (PV). Sie liefern also Solarwärme und Solarstrom. Man unterscheidet zwei Untertypen:

Aufbau und Funktionsweise

• Hybridkollektoren bestehend aus PV-Modul und Flach- beziehungsweise Röhrenkollektor
• und bestehend aus PV-Modul und Luftkollekor.

Außerdem gibt es abgedeckte Hybridkollektoren, bei denen sich zwischen der Glasplatte zur Abdeckung und den Solarzellen eine Luftschicht befindet, die den Wärmeverlust mindern soll. Da die Abdeckung den Stromertrag verringert, sind abgedeckte Hybridkollektoren eher zur Wärmeerzeugung geeignet und nicht abgedeckte eher zur Stromerzeugung. Noch ganz jung ist die Technologie flexibler Hybridkollektoren, bei denen sich das Verhältnis zwischen erzeugter Wärme und erzeugtem Strom flexibel steuern lässt. Dazu verschiebt ein Motor in Zeiten, wo keine Solarwärme gebraucht wird, die PV-Module so, dass sie die Solarthermie-Kollektoren überdecken.

Vor- und Nachteile

Als hybrides System sparen diese Kollektortypen vor allem Platz auf dem Dach. Sie haben einen Wirkungsgrad, der etwas unter dem der nicht hybriden Systeme liegt.

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Unverglaste Kollektoren (auch Schwimmbadabsorber genannt)

Aufbau und Funktionsweise

Die Schwimmbadabsorber ähneln noch am ehesten dem eingangs erwähnten Wasserschlauch. Sie bestehen jedoch – anders als der herkömmliche Gartenschlauch – aus UV- und witterungsbeständigem Kunststoff. Es gibt sie als Schlauchsystem, als Platte oder als Matte. Wegen fehlender Glasabdeckung, Glasröhre, Glashülle ist der Wirkungsgrad nicht verglaster Kollektoren geringer als der seiner oben genannten Kollegen. Er eignet sich zur Erwärmung von Poolwasser und leistet auch als Wärmequelle für Wärmepumpen gute Dienste, wo er dazu beitragen kann, die Temperatur an der Wärmepumpe und so deren Jahresarbeitszahl zu erhöhen.

Vor- und Nachteile

Von Vorteil ist die Einfachheit und die daraus resultierende Bezahlbarkeit dieser Kollektortypen. Der erzielte Wirkungsgrad ist recht gering, das Einsatzgebiet nur begrenzt.  

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Thermosiphonkollektoren

Aufbau und Funktionsweise

Thermosiphonkollektoren nutzen das Prinzip der Schwerkraft plus Umlauf. Soll heißen: Das im Kollektor erhitzte Wasser steigt nach oben in einen dort sitzenden Soeicher, aus dem es dann entnommen wird. Wird das Entnahmeventil geöffnet, drückt frisches Wasser das erwärmte Wasser aus dem Speicher, der gleichzeitig aufgefüllt wird. Für den fall, dass keine Warmwasserabnahme erfolgt, kühlt sich das Wasser im Soeicher ab und sinkt nach unten . Dort gibt einen Auslass zum Solarthermiekollektor, wo es dann wieder erwärmt wird. Anders als flache Kollektoren, deren Kreislauf vom Speicher getrennt ist, ergibt sich beim Siphonkollektor so ein geschlossener Solarkreislauf.

Vor- und Nachteile

Siphonkollektoren gelten als vorteilhaft zur Brauchwassererwärmung, da sie einen einfachen und entsprechend günstigen Aufbau haben. Sie kommen ohne bewegliche Teile aus, daher brauchen sie kaum Wartung. Ebenso wenig sind Umwälzpumpe und Wärmetauscher nötig. Aber: Die Kollektoren sind meist nur wenig wärmegedämmt und verlieren schnell an Temperatur.

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Marktübersichten Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren

Wer sich einen Überblick verschaffen will, welche Kollektoren am Markt sind, der startet am besten mit unserem Artikel hier. Auch ein Blick in die Solar-Keymark kann weiterhelfen, den Solarthermie-Kollektor-Markt zu überblicken.

Titelfoto: sajola / photocase.de, Grafiken (CPC, Wirkungsgrad): Paradigma