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 a
0 (c
1) entsprechend dem temperaturunabhängigen Anteil und a
1 (c
2) dem temperaturabhängigen Anteil beschrieben.
k = a0 + a1 . DT
k
Wärmeverlustkoeffizient [W/m².K]
a
0 temperaturunabhängiger Anteil [W/m².K]
a
1 temperaturabhängigen Anteil [W/m².K²]
D
T Temperaturdifferenz (mittlere
Wärmeträgertemperatur T
Km im Kollektor und Umgebungstemperatur T
U) [K]