Was Sie über Kollektorkennlinien wissen sollten

Kollektorkennlinien

Wie kann man Solarkollektoren vergleichen? Cornelia hat vor kurzem erklärt, wie man den Kollektorertrag in Kilowattstunden für einen bestimmten Kollektor in den Datenblättern der Solar Keymark findet. Kollektorkennlinien hingegen sagen zwar nichts über den Ertrag in Zahlen, machen aber den Kollektorvergleich sehr anschaulich. Das klingt auch alles auf den ersten Blick furchtbar kompliziert. Ist aber nicht so schlimm wie es aussieht.

Ein Bild sagt mehr als tausend Werte

Eigentlich ist es ganz einfach: Kollektorkennlinien sind Diagramme, bei denen auf der Rechtsachse die Temperaturdifferenz zwischen der Kollektortemperatur und der Außentemperatur aufgetragen ist und auf der Hochachse die Leistung des Kollektors in W/m² (Aperturfläche). Die Ermittlung dieser Werte ergibt für jeden Kollektor eine charakteristische Kurve für einen bestimmten Wert der Sonneneinstrahlung.

Exemplarische Kollektorkennlinien für Vakuumröhrenkollektoren und Flachkollektoren bei Einstrahlungswerten von 800 W/m² und 400 W/m²

Exemplarische Kollektorkennlinien für Vakuumröhrenkollektoren und Flachkollektoren bei Einstrahlungswerten von 800 W/m² und 400 W/m²

In diesen Kurven steckt viel Solarthermie-Basiswissen. Analog zur Kollektorkennlinie mit der Kollektorleistung sieht man oft Diagramme mit Wirkungsgradkennlinien (mit dem Wirkungsgrad auf der Hochachse). Zwischen Wirkungsgrad und Leistung gibt es einen direkten Zusammenhang.

Der Kollektorwirkungsgrad

Der Kollektorwirkungsgrad ? sagt aus, wie viel von der Sonnenstrahlung ein Kollektor in nutzbare Wärme umwandelt. Wie überall in der Physik ist der Wirkungsgrad das Verhältnis von Nutzleistung zur zugeführten Leistung:

Wirkungsgrad ? = Kollektorleistung / Einstrahlung (jeweils in W/m²)

Optischer Wirkungsgrad und thermische Verluste

Der Wirkungsgrad des Kollektors setzt sich zusammen aus dem optischen Wirkungsgrad ?0 und den so genannten thermischen Verlusten (Verlustkoeffizienten). Der optische Wirkungsgrad ?0 beschreibt, welchen Anteil des Sonnenlichts der Absorber in Wärme umwandeln kann. Denn ein Teil der Sonneneinstrahlung wird beim Auftreffen auf den Kollektor gleich wieder reflektiert und daher vom Absorber gar nicht aufgenommen. Der optische Wirkungsgrad eines Kollektors ist konstant und liegt je nach Kollektortyp um die 70 – 90 Prozent.

Davon müssen dann noch die jeweiligen thermischen Verluste abgezogen werden – und man erhält den Kollektorwirkungsgrad, auch thermischer Wirkungsgrad genannt.

Es gilt also

Kollektorwirkungsgrad ?= optischer Wirkungsgrad ?0 – thermische Verluste

Oder als Formel ausgedrückt:

formel-thermischer-kollektor-wirkungsgradmit

  • Kollektorwirkungsgrad ?
  • optischer Wirkungsgrad ?0
  • Differenz Kollektortemperatur – Umgebungstemperatur ?T
  • Einstrahlung Gs   
  • Verlustkoeffizienten a1, a2

Mit dieser Formel könnte nun jede und jeder von euch die Kollektorkennlinien für einen Kollektor bestimmen! Denn die Werte für den optischen Wirkungsgrad ?0 und die Verlustkoeffizienten a1, a2 stehen im Solar Keymark Datenblatt 2, ungefähr in der Mitte von Seite 1:

ausschnitt-solar-keymark-datenblatt-2

Ausschnitt aus Solar Keymark Datenblatt 2, Seite 1: Optischer Wirkungsgrad und Verlustkoeffizienten

Thermischer Wirkungsgrad hängt von Einstrahlung und Temperaturen ab

Die Wirkungsgradformel lässt sich auch so interpretieren: Wenn kein Unterschied ist zwischen Kollektortemperatur und Umgebungstemperatur, fällt das ganze Gedöns hinten weg und der optische Wirkungsgrad ist gleich dem thermischen Wirkungsgrad (?= ?0). In der Praxis sind die Temperaturen aber so gut wie immer unterschiedlich.

Die thermischen Verluste sind umso größer

  • je heißer der Kollektor ist
  • je größer die Temperaturdifferenz zwischen Absorber (im Kollektor) und Außenluft
  • je geringer die Einstrahlung ist

Röhrenkollektoren halten die Kurve flach und punkten im Winter

Das heißt im Umkehrschluss, Kollektoren mit gutem Wirkungsgrad bringen auch bei geringer Einstrahlung und größeren Temperaturunterschieden noch einiges an Wärmeleistung – also Kollektoren, die höhere Temperaturen erreichen und wenig Wärme verlieren (wie ein Röhrenkollektor), auch wenn es draußen kalt ist.

Am Stagnationspunkt ist die Kollektorleistung gleich null

Je flacher also die Kennlinie eines Kollektors verläuft, desto eher ist er in der Lage, auch im Winter noch zu punkten. Dort, wo die Kollektorkennlinie die Rechtsachse schneidet, liegt der so genannte Stagnationspunkt. Das ist der Punkt, an dem der Kollektor keine Leistung mehr abgibt.

Der Hersteller und Systemanbieters Solarbayer bietet hier ein interessantes Kollektorvergleichstool, mit dem man die Wirkungsgradkennlinien verschiedener Röhren- und Flachkollektoren mit den Produkten des Unternehmens vergleichen kann. Je nachdem, was man vergleicht, fallen die Unterschiede schon deutlich aus. Und nicht vergessen, auch mal an dem Wert für die Einstrahlung zu schrauben!

Außerdem sollte man zum Vergleich von Kollektorkennlinien wissen, dass die Leistungsermittlung von Kollektoren nach DIN EN 12975 mit Wasser als Wärmeträgermedium durchgeführt wird, während in der Realität die meisten Anlagen mit einem (energetisch ungünstigeren) Frostschutzgemisch aus Wasser und Glykol befüllt werden.

Foto: Boris23 | wikipedia.org

Grafik: Dr. Rolf Meißner | Paradigma

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