Flachkollektor

Die Leistungsfähigkeit einer Solaranlage ist von der Qualität ihrer einzelnen Bauteile und von deren fachgerechten Einbindung abhängig. Für die qualitative Beurteilung von Anlagen spielt der Kollektor eine wichtige Rolle.

Wärmeverluste eines Flachkollektors
Die Sonnenstrahlung trifft zuerst auf die transparente Abdeckung des Kollektors auf. Durch Reflexionen an der Oberfläche und beim Durchgang (Transmission - t) durch die Abdeckung geht ein Teil der Strahlung verloren. Der Transmissionsgrad beträgt für Normalglas gehärtet rund 0,84 und für eisenfreies Glas 0,91.

Die auf den Absorber auftreffende Strahlung wird je nach Art der Beschichtung fast vollständig in Wärme umgewandelt. Die Beschichtung sollte ein hohes Absorptionsvermögen und einen geringen Emissionsgrad haben. Das Absorptionsvermögen ist von der Beschichtung des Absorbers abhängig, wobei der Absorptionskoeffizient (a) bei einer Solarlackbeschichtung oder guten selektiven Schichten zwischen 0,94 und 0,97 liegt. Der Emissionskoeffizient (e) liegt bei der Solarlackbeschichtungen zwischen 0,86 und 0,88, bei selektiven Schichten beträgt er lediglich 0,05 bis 0,20. Das Aufbringen der Beschichtung kann über ein Spritzverfahren bei Solarlackbeschichtungen, elektrochemisch (Schwarzchrom, Schwarznickel) bzw. durch Klebefolie bei selektiven Schichten erfolgen.

Es werden selektive Schichten angeboten, welche durch physikalische Verfahren (Vakuumbeschichtung bzw. Sputtertechnik) aufgebracht werden. Dieses Verfahren ist im Vergleich zu galvanischen Verfahren wesentlich umweltfreundlicher, weniger energieaufwendig und leistungsfähiger.

Weitere Verluste treten beim Kollektor durch eine Konvektion im Kollektor und durch die Wärmeverluste an der Rückseite des Absorbers auf. Übliche Dämmmaterialien sind Mineralfasern (Steinwolle, Glaswolle).

Die aus der Solarstrahlung gewonnen Wärmeleistung gehen durch Wärmeleitung (Gehäuse, Anschlüsse usw.), Konvektion (Luftströmung zwischen Absorber und transparenter Abdeckung) und Wärmestrahlung wieder verloren, bevor sie als Nutzleistung abgeführt wird. Die zur Verfügung stehende Nutzleistung erwärmt den Wärmeträger (Wasser-Frostschutzgemisch > Sole) in den Absorberrohren.

Kenngrößen von Kollektoren
Ein wichtiges Qualitätsmerkmal eines Sonnenkollektors ist sein Wirkungsgradverlauf (Kollektorkennlinie). Der Wirkungsgrad eines Kollektors ist das Verhältnis der vom Kollektor an den Wärmeträger abgegebenen Energiemenge zu der von der Sonne auf den Kollektor eingestrahlten Energie. Ein hoher Wirkungsgrad wird bei Temperaturen  über 40 °C der Wärmeübertragungsflüssigkeit erreicht.

Einfluss auf den Wirkungsgrad haben:

• Art und Güte der Absorberfläche
• die Wärmeleitfähigkeit des Absorbermaterials
• die Transparenz der Abdeckung
• die Absorbergeometrie
• die Wärmeverluste des Kollektors in Form von Abstrahlung, Leitung und Konvektion

Wirkungsgradbestimmend sind vor allem die Strahlungsverluste. Der Kollektorwirkungsgrad ist keine feststehende Größe, sondern er ist von den Einsatzbedingungen (Temperaturniveau, Windgeschwindigkeit) abhängig . Es entsteht eine Kennlinie durch Auftragen des Wirkungsgrades über dem Quotienten aus der Temperaturdifferenz von mittlerer Wärmeträgertemperatur des Kollektors und Umgebungstemperatur (T_Km-T_U) zur eingestrahlten Sonnenenergie G. Der maximal mögliche Wirkungsgrad, also der Wirkungsgrad, bei dem die mittlere Kollektortemperatur TK_m gleich der Umgebungstemperatur T_U ist, wird auch als Konversionsfaktor  bezeichnet.

Optischer Wirkungsgrad oder Konversionsfaktor η₀
Der Konversionsfaktor ist der maximale Wirkungsgrad eines Kollektors unter der Bedingung, dass die mittlere Temperatur des Wärmeträgers im Absorber gleich jener der Umgebungsluft ist. Er ist das Maß für die Lichtdurchlässigkeit, die Absorptionsfähigkeit des Absorbers und die Qualität des Wärmetransports zwischen Absorber und Wärmeträger.

Der Wärmeverlustkoeffizient k
Der Wärmeverlustkoeffizient gibt die mittlere Wärmeverlustleistung eines Kollektors pro m² Kollektorfläche, bezogen auf die Temperaturdifferenz zwischen Wärmeträger und Umgebungsluft an. Der k-Wert wird hauptsächlich vom Emissionsgrad der Beschichtung (Selektivität) und von den Dämmeigenschaften des Kollektors bestimmt.
Der Wärmeverlustkoeffizient ist keine feste Größe, sondern er hängt von der Differenz der Wärmeträgertemperatur zur Lufttemperatur der Umgebung ab (mit steigender Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und Umgebung steigen die Wärmeverluste überproportional an). Ein Grund ist die Tatsache, dass die Abstrahlungsverluste mit der vierten Potenz der Absoluttemperatur zunehmen.

Daher wird der k-Wert des Kollektors durch die zwei Werte a₀ (c₁) entsprechend dem temperaturunabhängigen Anteil und a₁ (c₂) dem temperaturabhängigen Anteil beschrieben.

k = a₀ + a₁ . D_T

k  Wärmeverlustkoeffizient [W/m².K]
a₀  temperaturunabhängiger Anteil [W/m².K]
a₁  temperaturabhängigen Anteil [W/m².K²]
D_T Temperaturdifferenz (mittlere Wärmeträgertemperatur T_Km im Kollektor und Umgebungstemperatur T_U) [K]