Solarenergie:

Die Sonne ist der größte Fusionsreaktor in der näheren Umgebung der Erde. Jährlich liefert sie uns ca. 1018 kWh Energie auf der Erdoberfläche weltweit in Form von sichtbarer und unsichtbarer elektromagnetischer Strahlung. Die Energieeinstrahlung ist jedoch vom jeweiligen Breitengrad abhängig. Inden gemäßigten Breiten liegt sie bei etwa 1000 kWh pro Quadratmeter und Jahr, in den Äquatorialregionen über 2000 kWh pro Quadratmeter und Jahr.

   Quelle:courtesy Nasa/JPL Caltec

 

Die Vorteile der Solarnutzung  liegen in der Vermeidung von Kohlendioxidausstoß und Schonung der fossilen Energiequellen.

Die Probleme liegen in der Speicherung und im Transport, da die meiste Energie dort erzeugt werden kann, wo nur wenig benötigt wird. Hinzu kommt, dass die Energieeinstrahlung in den Gebieten außerhalb der Wendekreise  einer starken jahreszeitlichen Schwankung unterworfen ist.

Die Sonne als Energielieferant kann entweder thermisch zu Erwärmung von Brauchwasser und zur Heizungsunterstützung oder über Photovoltaikanlagen zur Erzeugung von Elektrizität genutzt werden. Auch Großkraftwerke zur Stromerzeugung über fokussierende Spiegelfelder sind in der Erprobung. Diese erzeugen Wasserdampf und treiben damit Turbinen zur Stromerzeugung an.

Die Frage ist jedoch, wie die Sonne in unseren Breiten zur Unterstützung von Heizung, zur Brauchwassererwärmung und Erzeugung von Elektrizität genutzt werden kann.

Aufbau einer thermischen Sonnenenergieanlage

Thermische Sonnenenergieanlagen dienen der Brauchwassererwärmung oder der Unterstützung der Raumheizung Sie setzen sich zusammen aus folgenden drei Gruppen:

Die Wärmegewinnung erfolgt mit Sonnenkollektoren, die von einer Flüssigkeit durchströmt werden. Da moderne Sonnenkollektoren Stillstandstemperaturen von bis zu 250 °C erreichen können, sind Maßnahmen gegen Überhitzung und Überdruckableitung zu treffen. Auch ist darauf zu achten, das während der Nacht das warme Wasser aus dem Speicher nicht wieder in den Kollektor zurückströmt und auskühlt. Ferner ist das Expansionsgefäß ist so auszulegen, daß der Inhalt der Kollektoren bei einer Ausdampfung aufgenommen werden kann.

Die Wärmespeicherung erfolgt in einem sehr gut isolierten Behälter, der die zeitliche Verschiebung zwischen Wärmegewinnung und -verbrauch überbrückt. Üblicherweise wird der Bedarf von max. 1 bis 2 Tagen gespeichert.

Der Wärmetransport erfolgt mit einer Flüssigkeit (z.B. Wasser), die frostsicher sein muß. Dem Wasser wird daher ein Frostschutzmittel beigemischt wird. Das Medium wird mit einer Umwälzpumpe durch den Kollektor bewegt, wenn der Sonnenkollektorfühler eine höhere Temperatur registriert als der im unteren Teil des Speichers. Leitungen und Armaturen sind zu dämmen und sollten Temperaturen von bis zu 130 °C widerstehen (beim Kollektoraustritt noch höher). Damit die tagsüber gewonnene Sonnenenergie nachts nicht wieder via Kollektorfeld entweicht, ist eine effiziente Rückflussverhinderung einzubauen.

Planungshinweise Kollektorkreislauf

Wärmetauscher sollten bei maximaler Kollektorleistung auf eine Temperaturdifferenz von ca. 10 – 15 K dimensioniert werden. Glykolkonzentration auf die kurzfristig tiefstmöglichen Aussentemperaturen auslegen (ca.  -15°C –  -30 °C). Das Wasser/Glykol-Gemisch ist vor dem Einfüllen anzumischen. Die Installation inkl. der Fülleinrichtung ist so auszuführen, dass eine einwandfreie Anlagenspülung möglich ist.

Umwälzpumpen im Solarkreislauf sind auf die Glykolkonzentration bei ca. 40 °C Betriebstemperatur zu dimensionieren (höhere Viskosität als Wasser). Richtwert für Fördermengen ca. 30 – 40 l/m2 Kollektornutzfläche (LowFlow-System ca. 15 – 20 l/m2 .

 

Kollektorarten und deren Einsatzbereich

  1. unverglaste Kollektoren, z.B. Konststoffmatten/ - Rohre: Freibadheizung, Erdregister- oder Erdsondenanlagen (Erdspeicher)
  2. unverglaste Kollektoren mit selektiver Beschichtung: Hallen-/ Freibadheizung, Brauchwasservorwärmung
  3. verglaste Flachkollektoren: Brauchwassererwärmung, Heizungsunterstützung
  4. Vakuumkollektoren: Brauchwassererwärmung, Heizungsunterstützung, Prozesswärme

Flachkollektoren

Diese Art von Kollektoren bestehen aus einem Metallabsorber, der gut isoliert ist, um die Wärmeverluste des Kollektors durch Konvektion und Wärmeleitung zu vermindern. Auf der Seite, wo die Solarstrahlung auf den Absorber auftrifft, ist er mit einer Glassscheibe abgedeckt (spezial Solarglas mit sehr geringem Eisenanteil), auf der Rückseite ist eine dicke Dämmschicht aufgebracht. Durch die Nutzung von schwarzem Lack oder selektiven Schichten kann man die Verluste durch Abstrahlung vermindern.

Man kann höhere Temperaturen mit Flachkollektoren erreichen. Auch wenn es draußen schon kälter ist, können sie noch Wärme liefern. Deswegen bevorzugt man Flachkollektoren für Brauchwassererwärmung. Man kann Flachkollektoren zwischen 1 und 5 m2 auf dem Markt erhalten. Für eine bestimmte Wärmeleistung kombiniert man mehrere Flachkollektoren bis die gewünschte Wärmeleistung erreicht wird. Im Sommer können Flachkollektoren den Bedarf vollständig decken. Im Winter muss das vom Kollektor vorgewärmte Wasser nochmals nachgeheizt werden (Gas, Öl, Strom).

Vakuumröhrenkollektoren

Bei Vakuumröhrenkollektoren liegen die Absorber in Glasröhren. In diesen Glasröhren herrscht ein Vakuum. Diese Art von Kollektoren haben die höchsten Wirkungsgrade. Sie können auch bei niedrigeren Außentemperaturen im Winter Wärme liefern. Sie sind besonders für die Heizung von Gebäuden und die Bereitstellung von Prozesswärme geeignet.

Für eine Solarkollektoranlage ist ein Speicher nötig. Er nimmt die Wärme auf, die vom Kollektor bereitgestellt ist, falls kein Wärmebedarf gegeben ist und gibt die Wärme wieder ab, wenn Wärme benötigt wird.

Kollektorinstallation

 

Schrägdach:

Flachdach:

Fassade / Balkonbrüstung:

Böschung / Garten:

Hinweise:
Flachkollektoren benötigen einen minimalen Neigungswinkel von ca.15 – 20° (beim Hersteller anfragen)
Bei Vakuumröhrenkollektoren mit drehbarem Absorber sind Neigungs- oder Orientierungskorrekturen bis ca. 30° möglich.

 Nutzung  Orientierung  Neigung
Wassererwärmung Südost bis Südwest 15° bis 60°
Wassererwärmung und Heizungsunterstützung Max. 30° Abweichung von Südachse nach Ost oder West 30° bis 60°

Wärmebedarf

Bedarfsermittlung:

In einem Einfamilienhaus mit gehobenem Standard werden pro Person 40 – 60 Liter 60°C warmes Brauchwasser pro Tag angesetzt. Weiterhin wird ein Warmwasserspeicher benötigt, um die Zeit zwischen Angebot und Nachfrage überbrücken zu können. Hier sind 80 – 120 Liter pro Person anzusetzen bei einer Kollektorfläche von 1,0 – 1,5 m² pro Person.

Für einen vier Personen Haushalt ergibt sich eine Kollektorfläche von ca 5 m² und ein Speichervolumen von ca. 500 Litern.

Wenn angenommen wird, dass das Brauchwasser von 10°C auf 60°C erwärmt werden muß, ergibt sich ein Jahresenergiebedarf von etwa 5 MWh. Da die Sonnenenergie nur unregelmässig zur Verfügung steht, muß ein Zonenspeicher oder ein Speicher mit eingebettetem Brauchwasserbehälter installiert werden. Der Zonenspeicher besteht aus der solaren Vorwärmung und einer eventuell nötigen Nachwärmung durch Heizung oder Strom.

Der Gesamtwarmwasserbedarf bzw. Energiebedarf ergibt sich, wenn man die Verluste (20 – 30 % für Wärmeverluste und des Warmwasserbehälters) addiert.

Warmwasserzirkulationssysteme sollten mit möglichst geringen Zirkulationsmengen betrieben werden, damit die Schichtung nicht zu stark vermischt wird

Es ist wahrscheinlich, dass die Speichertemperatur von 65 °C gelegentlich überschritten wird. Zum Schutz gegen Verbrühungen ist deshalb der Einbau eines Thermo-Mischers zwischen dem Wassererwärmer und den Zapfstellen sinnvoll. Ferner ist ein Überdruckventil im System vorzusehen (max. Druck nach Angabe des Kollektorherstellers).

Dimensionierung: Solare Wassererwärmung

Richtwerte für die benötigte Kollektornutzfläche und dem Speichervolumen

 

 

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