Solaranlagen - Technologien

Bestandteile eines Solarsystems

Die Hauptelemente einer Solaranlage sind die Sonnenkollektoren und der Solarspeicher. Im Solarkreislauf fließt der Wärmeträger (eine Mischung aus Wasser und einem Frostschutzmittel), dessen Durchfluss durch die Sonnenkollektoren durch eine Umlaufpumpe gefördert wird.

Die Sonnenkollektoren verwandeln die Energie der Sonnenstrahlung in Wärme und leiten sie über das Wärme leitende Blech des Absorbers in den Wärmeträger über. Der erwärmte Wärmeträger gibt die Wärme über den Wärmeträger dem Brauchwasser im Solarspeicher ab. Der im Wärmetauscher abgekühlte Wärmeträger wird danach in die Sonnenkollektoren zurückgepumpt und der Kreislauf wird geschlossen. Wird die vorgegebene Temperatur des Nutzwassers erreicht, schaltet die Umlaufpumpe ab und die Solaranlage geht in den Stand-By-Zustand über. Wenn die Anlage im Stand-By-Zustand ist und die Sonnenkollektoren weiter mit dem Sonnenlicht bestrahlt werden, kann es zum Verdampfen des Wärmeträgers kommen. Um einer Schädigung der Bestandteile vorzubeugen, wird eine Reihe von Sicherheitsvorrichtungen, wie z.B.: Sicherheitsventil, Rückschlagventil und Ausgleichsgefäß verwendet. In der Zeit einer geringen Sonneneinstrahlung, wenn die vorgegebene Temperatur nicht erreicht werden kann, wird das Nutzwasser konventionell erwärmt.

• 1. Sonnenkollektor
  Der Sonnenkollektor ist der Hauptbestandteil einer Solaranlage, in der die Energie der Sonnenstrahlung in Wärme verwandelt und über den Absorber dem Wärmeträger abgegeben wird. Heutzutage gibt es auf dem Markt der Solaranlagen, die zur Warmwasservorbereitung verwendet werden, zwei wichtigste Arten von Sonnenkollektoren, den Flchkollektor und den Vakuumkollektor.
  
  
  • 1.1. Vakuumkollektor
    Bisher wurden in den Solaranlagen, die zur Warmwasservorbereitung dienten, hauptsächlich Flachkollektoren verwendet. Die Vakuumkollektoren waren wegen hoher Preise außer Acht gelassen. Die zusätzlichen Kosten, die aus der Anwendung der Vakuumkollektoren resultierten, fanden keinen Ausgleich in ihrer Leistungsfähigkeit wieder. Die letzten Jahre brachten eine deutliche Kostensenkung in der Herstellung der Vakuumkollektoren mit, was im Endeffekt zur Senkung der Preise dieser Kollektoren führte.
    Die verbesserte Leistungsfähigkeit ergab die Möglichkeit, die Vakuumkollektoren bei der Wasservorbereitung in Objekten mit einer beschränkten Dachoberfläche bzw. mit einer relativ geringen Dachtragkraft einzusetzen. Die sich auf diesen Objekten befindenden Vakuumkollektoren verursachen wegen ihrer Konstruktion kleinere wind- bzw. schneebedingte Belastung.
    
    
  • 1.2. Flachkollektor
    Der Flachkollektor besteht aus dem Gehäuse, dem selektiven Absorber, der Isolation und der Glasabdeckung. Flachkollektoren können in die Dachoberfläche eingebaut, auf der Dachoberfläche aufgelegt bzw. frei aufgestellt und an der Gebäudewand montiert werden.
    
    
  • 1.3. Absorber
    Das Herzstück eines Sonnenkollektors ist der Absorber, der die Sonnenstrahlung in Wärme umwandelt. Der Absorber besteht meist aus Kupfer- oder Aluminiumblech in Form von Bögen bzw. Streifen, die mit einer bestimmten Anzahl von Rohren (Absorberrohren) oder Kanälen, in denen der Wärmeträger fließt, verbunden sind. Der Absorber wird von der Sonnenstrahlung erwärmt. Der Wärmeträger fließt durch die Absorberrohre, nimmt die angesammelte Wärme auf und transportiert sie in die Richtung des Solarspeichers ab. Über 90% der Absorber bestehen aus einem Gefüge von Blechen und Kupferrohren. Nur bei einem kleinen Anteil der Absorber werden Aluminiumblech und Kupferrohre verwendet.
    Die Leistungsfähigkeit des Absorbers hängt im Wesentlichen von den optischen Parametern der Glasabdeckung, der Materialart, der Geometrie und der Art des Wärmeträgers ab und beeinflusst stark die Leistungsfähigkeit des Sonnenkollektors. Die Oberfläche des Absorbers hat eine hochselektive und verschleißarme Beschichtung, was zu den höchsten technologischen Errungenschaften gehört. Durch die Antireflexglasabdeckung und eine entsprechende Isolation werden die Wärmeverluste in den Sonnenkollektoren infolge Strahlenreflexion minimalisiert. Sonnenkollektoren ohne eine selektive Beschichtung mit einer Standardglasabdeckung können wirkungsvoll bei der Warmwasservorbereitung in der Sommersaison und zur Wasservorwärmung in den Übergangsjahreszeiten eingesetzt werden.
    Die selektive Beschichtung erhöht zwar die Kosten eines Absorbers, trägt jedoch zur wesentlichen Verbesserung seiner Leistungsmerkmale bei vergleichbaren Kollektoroberflächen bei. Dadurch kann eine geringere Anzahl an Kollektoren eingesetzt und gleichzeitig diegleiche solare Leistung erreicht werden.
    
    
• 2. Behälter / Speicher
  Die Energie der Sonnenstrahlung wird an den Wärmeträger weitergegeben und in Wasserbehältern gespeichert, die automatisch ge- und entladen werden. In diesen Behältern wird Wärme kurzzeitig bzw. langzeitig gespeichert.
  In Standardsolaranlagen werden kurzzeitige Warmwasserspeicher mit einer Stahlummantelung, die drinnen korrosions- und temperaturfest sind und vor allem ein entsprechendes Hygieneattest haben, eingesetzt. Beim Einsatz einer Ummantelung, die vollständig aus Edelsathl besteht, kann auf die speziellen Schutzbeschichtungen verzichtet werden.
  
  
  • 2.1. Aufgaben des Warmwasserspeichers
    Aufgabe des solaren Warmwasserspeichers ist die Speicherung einer entsprechenden Warmwassermenge unter Berücksichtigung der Zeitverschiebung zwischen der verfügbaren Sonnenstrahlung und des tatsächlichen Warmwasserbedarfs. Nach einem Tag mit hoher Sonnenstrahlung kann ein Regentag kommen. Die Solarenergie kann also nur dann wirkungsvoll genutzt werden, wenn die Zeitdifferenzen zwischen der verfügbaren Energie und dem Wärmebedarf durch einen Speicher mit einer genügenden Kapazitäz ausgeglichen werden. Ist die Menge der Sonnenenergie nicht ausreichend, muss eine Alternative geschaffen werden, um die vorgegebene Temperatur des Warmbrauchwassers durch eine konventionelle Erwärmung erreichen zu können. Die zusätzliche Energie kann durch einen Gas-, Öl-, Peletts- Biomasse-, Brennstoffkessel oder Elektrosieder geliefert werden.
    
    
  • 2.2. Pufferbehälter
    Für die kurzzeitige Warmwasserspeicherung eignet sich auch der Warmwasserbehälter, der sogenannte Pufferbehälter. Er ist direkt an die Warmwasseranlage angeschlossen und hat den gleichen Aufbau wie der bereits dargestellte Warmwassespeicher, ist jedoch wesentlich billiger, denn er macht den Einsatz der Antikorrosionsbeschichtung erforderlich. Der Grund dafür ist die Tatsache, dass das Warmwasser infolge von Sauerstoffmangel weniger korrosiv ist. Die im Pufferbehälter gesammelte Wärme wird bei Bedarf über den Wärmeträger an den Warmwasserspeicher abgegeben.
    
    
• 3. Wärmeträger
  In unseren geografischen Breiten müssen der Solarkreislauf und der Warmwasserkreislauf wegen des Schutzes des Solarkreislaufs vor dem Gefrieren durch einen Frostschutzmittel getrennt werden. Die im Wärmeträger durch die Erwärmung der Kollektoren gesammelte Energie wird durch den Wärmeträger direkt an den Warmwasserkreislauf bzw. an den indirekten Kreislauf (Pufferbehälter) weitergegeben. Die Wärmeträger können sich direkt im Inneren des Behälters (interne Wärmeträger) oder außerhalb dessen (externe Wärmeträger) befinden.
  In kleineren Anlagen (mit einer Kollektorfläche unterhalb 15 m2) werden interne Wärmeträger (z.B. Schlangenrohr) und bei größeren Anlagen - externe Wärmeträger eingesetzt.
  
  
• 4. Regulatoren
  Der Regulator sichert einen solchen Wärmetransport im Solarkreislauf, der eine optimale Nutzung der durch die Sonnenkollektoren gewonnenen Sonnenenergie ermöglicht. Der Temperaturfühler im Behälter kontrolliert, ob zusätzliche Wärme aus den Kollektoren hinzugeführt werden muss.
  Die Temperatur in den Sonnenkollektoren wird mit dem Temperaturfühler gemessen. Falls zusätzliche Wärme für die Wassererwärmung notwendig ist und die Temperatur in den Kollektoren die Wassertemperatur im Solarspeicher übersteigt, wird die Umlaufpumpe eingeschaltet. Der Wärmeträger im Solarkreislauf liefert die notwendige Energie für die Wassererwärmung im Speicher. Falls die min. Temperatur in den Kollektoren unterschritten wird, wird eine konventionelle Wassererwärmung notwendig. Der Temperaturfühler im oberen Teil des Behälters ermöglicht die Überwachung der Temperatur im Hinblick auf den Schutz vor Überwärmung. Wird der max. Temperaturwert erreicht, wird die Umlaufpumpe ausgeschaltet. Dies geschiht auch dann, wenn genügend Sonnenstrahlung verfügbar ist. In diesem Fall wird die Anlage in den Stand-By-Zustand geschaltet. Dies ist meist die Folge einer zu grossen Kollektoroberfläche, die nicht an den Warmwasserbedarf angepasst ist. Da die Anlagenteile unnötig wärmebeansprucht werden und die Leistungsfähigkeit der Anlage sinkt, ist dafür zu sorgen, dass die Anlage nicht so oft in den Stand-By-Zustand geschaltet wird.
  
  
• 5. Zusatzwärmung
  Die Schwankungen der Sonnenstrahlungsenergie und die Zeiten einer schwachen Sonnenstrahlung machen den Einsatz der konventionellen Energie für die Warmwasservorbereitung notwendig. In der Regel wird der konventionelle Heizkessel durch einen zweiten Wärmeträger im Behälter und/oder ein elektrisches Heizelement angeschlossen. Der Wärmeträger wird im oberen Teil des Behälters angebracht. Die Kapazität der Zusatzwärmung sollte in diesem Falle nicht größer als notwendig sein, ihre Erhöhung verursacht die Reduzierung der Wärmekapazität der Solarwärmung. Die Größe des Wärmeträgers ist eine Folge der Leistungsfähigkeit des Kessels bzw. hängt vom Warmwasserbedarf ab.
  
  
• 6. Wärmeträger
  Als Wärmemedium wird in unserer geografischen Breite eine Wasser-Polypropylenglykol-Mischung verwendet, die vor dem Gefrieren in einem Temperaturbereich bis min. - 25°C schützt. Wird in dem Solarkreislauf nur Wasser eingesetzt, besteht die Gefahr, dass das Wasser gefriert und die Rohre sprengen. Um die Lebensdauer der Flüssigkeit zu verlängern, wenden die Hersteller entsprechende Veredlungszusätze an.
  Da der Zusatz zum Frostschutzmittel die Wärmekapazität und die Viskosität, damit aber auch die erforderliche Pumpenleistung erhöht, sollte der Zusatz vorsichtig dosiert werden. In der Regel wird eine 40% Glykollösung verwendet.
  
  
• 7. Sicherheitsvorrichtungen für den Solarkreislauf
  Zu den Sicherheitsvorrichtungen für den Solarkreislauf gehören Ausgleichsgefäß, Sicherheitsventil und Manometer. Die Solaranlagen sind so zu entwickeln und herzustellen, dass die Sicherheit automatisch gewährleistet wird. Das bedeutet, dass die Schutzmaßnahmen und der Anschluss des Solarkreislaufs auch bei längerer Wärmeeinwirkung auf die Kollektoren ohne Wärmeaufnahme nicht zum unzulässigen Druckanstieg in der Solaranlage bzw. zu einer Störung führen dürfen. Sollte es schlimmstenfalls zum Überschreiten der Druckwerte in der Solaranlage kommen, wird das Sicherheitsventil geöffnet und es kommt zu einer "Verzögerung" des Anlagenbetriebs. Der Teil des Wärmeträgers, der sich in der Anlage befindet, fließt durch die Abflussleitung in einen vorbereiteten Behälter aus. Der Verlust des Wärmeträgers muss unbedingt schnell ergänzt werden. In großen Solaranlagen wird ein Sicherheitsventil an jedem Kollektorfeld und ein zentrales Sicherheitsventil verwendet. Der Sicherheitsventildruck wird an die zulässigen Druckwerte des schwächsten Gliedes der Anlage angepasst.
  Das Ausgleichsgefäß der Solaranlage soll aus zwei Gründen verwendet werden: infolge der Erwärmung des Wärmeträgers in den Sonnenkollektoren kommt es zu einem Anstieg seines Volumens. Um einem Druckanstieg vorzubeugen, muss das überschüssige Volumen durch Ausgleichsgefäße aufgenommen werden. Wenn das Wasser im Solarbehälter die erforderliche Temperatur erreicht, wird die Umlaufpumpe ausgeschaltet und die Anlage geht in den Stand-By-Zustand über. Nach andauernder Sonnenstrahlung steigt die Temperatur in den Kollektoren weiter an und der Wärmeträger beginnt zu dampfen.
  Die Aufgabe des Ausgleichsgefäßes ist die Aufnahme der Heizflüssigkeit, die durch den Dampf aus den Sonnenkollektoren verdrängt wird. Somit wird der Druckanstieg in der Anlage eingeschränkt. Während der Abkühlung der Anlage kommt es zur Bildung von Kondenswasser. Infolge des Druckausgleichs kommt es erneut zum Durchströmen der Kollektoren.
  Der Manometer der Anlage dient der Drucküberwachung und der Einstellung des Anfangsdruckswertes.
  Eine sichere Anlage verhindert den Auswurf der Heizflüssigkeit, auch nicht beim Stillstand der Anlage.
  
  
• 8. Sonstige Komponenten der Solaranlage
  
  
  • 8.1. Solarpumpe
    Als Solarpumpen werden einfache Umlaufpumpen mit speziellen Parametern eingesetzt. Es ist zu berücksichtigen, dass die Pumpen für die Förderung von Wasser-Glykol-Mischung geeignet und für den Betrieb bei bis zu 130°C sein müssen. Um eine Pumpe an die Leistungsfähigkeit der Solaranlage anzupassen, ist der Einsatz von Pumpen mit stufenweise einstellbarer Drehgeschwindigkeit notwendig.
    
    
  • 8.2. Ablüfter
    Die sich in der Solaranlage ansammelnde Luft stört den Wärmeträgerumlauf und kann im Extremfall zu seinem völligen Stillstand führen. Die Ablüftung des Kollektorfeldes ist also von großer Bedeutung. Es sind unbedingt Ablüfter zu verwenden, die für den Betrieb bei bis zu 150°C (Metallschwimmer) geeignet sind.
    
    
  • 8.3. Verrohrung
    Im Sonnenkollektorkreislauf werden Kupferrohre eingesetzt. Es ist aber auch möglich, Stahlrohre ohne Naht bzw. Schweißnaht zu verwenden. Unerlässlich ist eine entsprechende Isolierung der Rohre auf der gesamten Länge im Solarkreislauf.
    
    
  • 8.4. Rückschlagventil
    Das Rückschlagventil verhindert gravitationsbedingte Strömungen im Kollektorkreislauf und was damit einhergeht, die Entladung des Solarspeichers.
    
    

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