Vakuumröhrenkollektor

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Der Vakuumröhrenkollektor ist eine Bauweise von Sonnenkollektoren und Bestandteil einer thermischen Solaranlage. Er wird zur Erwärmung von Wasser und/oder Wasser-Frostschutz-Gemischen eingesetzt. Das Wärmemedium wird gegen die Außenumgebung durch ein Vakuum isoliert.

Aufbau[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Röhren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Vakuumröhre, in die ein Wärmerohr gesteckt ist. Der Aufbau vereinfacht den Austausch der Röhre.

Vakuumröhrenkollektoren bestehen grundsätzlich aus Glasröhren, die ein Vakuum umschließen. Man unterscheidet zwei Systeme:

Das ältere besteht aus Röhren, bei denen die Wärmeträgerflüssigkeit in einem eingesetzten Rohr (U-Rohr oder koaxiales Rohr) fließt und dieses Rohr von der Vakuumröhre umhüllt wird. Bei der moderneren und heute verbreiteten Variante kommt ein Wärmerohr („Heat-Pipe“) zum Einsatz, das oben aus der Röhre herausgeführt wird bzw. das von oben in die Vakuumröhre eingesetzt ist. Die Wärmerohre der Anlage sind in einer oberhalb der Vakuumröhren befindlichen Schiene miteinander verbunden. Dort wird die erhitzte Wärmeträgerflüssigkeit gesammelt und dann abgeführt. Vorteil dieser Anordnung ist das leichte Auswechseln einer defekten Vakuumröhre ohne Ablassen der Trägerflüssigkeit, Neubefüllen und Entlüften des Systems. Die Vakuumröhre wird nach dem Lösen ihrer Befestigungen nur nach unten aus der Schiene gezogen und durch eine neue ersetzt.

Ein weiteres Merkmal älterer Systeme ist, dass die Vakuumröhre aus zwei Glasröhren besteht, die durch einen weiteren Werkstoff versiegelt sind. Diese Röhren neigen aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Glas und der Versiegelungsmasse zu Spannungsrissen und damit zu Lufteintritt. Bei moderneren Systemen mit „Sydney“-Röhren sind zwei konzentrische Glasröhren wie bei einer Isolierkanne verschmolzen; der Raum zwischen den Röhren ist evakuiert.

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Der Name stammt von der Anfang der 1980er Jahre entwickelten Lichtröhre zur Innenbeleuchtung von Gebäuden, die erstmals von einem Unternehmen in Sydney (Australien) produziert wurden. Die Weiterentwicklung für die Verwendung der Lichtröhre als Vakuumröhrenkollektor erfolgte 1985 in China, wo dieser auch patentiert wurde.

Nahaufnahme eines Vakuumröhrenkollektors in CPC-Technik (Compound Parabolic Concentrator)
Aufbau eines CPC-Vakuumröhrenkollektors

Der Absorber[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Absorber dient direkt der Aufnahme (lateinisch absorptio ‚Aufsaugung‘) der Wärmestrahlung des Sonnenlichts. Bei einigen Modellen enthält die innere Glasröhre einen beschichteten Blechstreifen, bei anderen Systemen ist eine Beschichtung auf der Oberfläche der inneren der zwei Glasröhren aufgetragen. Insbesondere bei Vakuumkollektoren mit gestrecktem fokussierendem Spiegel führt ein zentrales Kupferrohr die Wärmeträgerflüssigkeit und trägt auch die Absorberschicht. Früher wurde als solcher selektiver Absorber[1] Schwarzchrom auf Kupfer galvanisiert. Die wellenlängenselektiven Beschichtungen bestehen aus Materialien, die einen möglichst hohen Absorptionsgrad im Spektralbereich des Sonnenlichtes und einen möglichst geringen beim spektralen Strahlungsmaximum ihrer Eigentemperatur haben. Zum Beispiel werden drei Metallfilme mittels Magnetronsputtern[2] in ungefähr zwölf Einzelbedampfungen aufgebracht. Da beim Vakuumkollektor die Abstrahlung der einzig verbleibende Weg der Wärmeverluste ist, kommt der selektiven Absorbtion besondere Bedeutung zu und ist daher Gegenstand der Forschung und Entwicklung.

Funktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Dämmwirkung wird bei Vakuumröhrenkollektoren durch ein Vakuum in der einen Glasröhre bzw. im Zwischenraum von zwei konzentrisch angeordneten Glasröhren erreicht, welches die Wärmeabgabe an die Umgebung durch die unterbundene Konvektion und die fehlende Wärmeleitung stark verringert. Vor allem im Winter bringen Vakuumkollektoren auf Grund ihrer gegenüber Flachkollektoren besseren Dämmung wesentlich höhere Erträge als diese, tauen aber bei Schnee- oder Eisbedeckung schlechter ab.

Die Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturen unter 0 °C muss mit Frostschutz-Zusätzen zum Kreislaufwasser, durch alternative Wärmeträgermedien, durch Ablassen (drain back) oder Beheizung erreicht werden. Auch Heatpipes sind frostgefährdet, weil offenbar Wasser als Trägermedium benutzt ist.[3]

Wirkungsgrad[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Solar Temperaturkurve vom 21. Juni 2013, Kühlung durch Warmwasserentnahme, 100 direktdurchflossene Röhren, Speicher 1000 Liter

Der Wirkungsgrad von Vakuumröhrenkollektoren ist etwa 20 % höher als der von konventionellen Flachkollektoren und das erreichbare Temperaturniveau ist mit bis 150 °C höher.[4]

Vakuumröhrenkollektoren erreichen gegenüber luftgefüllten Flachkollektoren gleicher Größe wesentlich höhere Betriebstemperaturen und eignen sich dadurch auch zur Erzeugung industrieller Prozesswärme. Die Absorbertemperatur und somit auch die Flüssigkeitstemperatur kann vor allem im Sommer das Wärmemedium zum Kochen bzw. Verdampfen bringen. Wird die Wärme nicht rechtzeitig abgeführt (z. B. in einen Pufferspeicher), verdampft die Flüssigkeit in den Kollektoren. Um Überdruck bzw. ein Bersten zu verhindern wird eine Anlage z. B. so ausgelegt, dass der entstehende Dampf die Solarflüssigkeit aus den Kollektoren presst (Steam Back System[5]). Ein Solarausdehnungsgefäß nimmt das Flüssigkeitsvolumen der durch Dampf nahezu entleerten (mit Dampf gefüllten) Kollektoren auf. Ein Bersten bzw. Ablassen des Überdrucks per Überdruckventil wird so verhindert.

Ähnlich wirkt sich bei Drucksystemen ein Pumpenstillstand, z. B. durch einen Stromausfall, aus. Wird die Flüssigkeit nicht weiter umgewälzt und der Kollektor nicht mehr gekühlt, kann es zum Verdampfen der Solarflüssigkeit kommen. Nach dem Abkühlen des Kollektorsystems wird die Solarflüssigkeit vom Solarausdehnungsgefäß wieder in die Kollektoren gedrückt und das System ist wieder betriebsbereit.

Sommerliche Ertragsüberschüsse durch zu große Kollektorflächen oder ungeeignete Anlagenkonstellationen beanspruchen möglicherweise die Wärmeträgerflüssigkeit (ein Wasser-Glykol-Gemisch; eingeschränkt hitzestabil) derart, dass diese durch thermisches Cracken im schlimmsten Fall unbrauchbar wird. Liegt jedoch die Verdampfungstemperatur unter der Temperatur, die das Cracken auslöst (typischerweise im Bereich von 170 °C), kann dieser Effekt eingeschränkt werden, weil nur das Dampfvolumen im Kollektor extrem erhitzt wird. Die Verdampfungstemperatur wird mit dem Anlagendruck bestimmt.

Für den Betrieb mit reinem Wasser wird das Wasser nur dann vom Speicher in die Kollektoren gepumpt, wenn Wärme gewonnen werden soll (Drain-Back-Anlagen). Hierfür muss das Rohrsystem so ausgelegt sein, dass nirgendwo Restwasser verbleibt. In Asien werden vorrangig Drucklossysteme verwendet, in Mitteleuropa Steam-Backsysteme.[6][7][8]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Klaus Oberzig (Hrsg.): Solare Wärme – Vom Kollektor zur Hausanlage 2010. Fraunhofer IRB Verlag. ISBN 978-3-8167-8317-6
  • Heinz Ladener, Frank Späte, Elmar Bollin: Solaranlagen – Handbuch der thermischen Solarenergienutzung. 11., aktualis. Aufl. 2011. Ökobuch Verlag u. Versand. ISBN 978-3-936896-40-4

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. https://www.spektrum.de/lexikon/physik/selektive-absorberschichten/13191 Spektrum.de Lexikon der Physik: selektive Absorberschichten, abgerufen am 2. Nov. 2019
  2. [1] (PDF-Datei; 523 kB) Englischer Text in dem auch das Sputtern (Beschichten) von Röhren erklärt wird
  3. Testbericht über die Frostbeständigkeit von Heatpipes (PDF-Datei; 646 kB)
  4. https://www.carmen-ev.de/sonne-wind-co/solarthermie/technik/222-solarkollektoren Veröffentlichung des Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk e.V. zu Solarkollektoren, abgerufen am 2. Nov. 2019
  5. http://www.solarplumbingdesign.com/ess1.html Firma Solar Plumbing Design; Jessica Baldwin: Solar Water Heating Fundamentals, abgerufen am 2. Nov. 2019
  6. Optimierte Solarsysteme mit perfektioniertem Drain-Back
  7. Fachvortrag vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE (Memento des Originals vom 10. Juli 2012 im Internet Archive) i Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.getec-freiburg.de (PDF-Datei; 894 kB)
  8. Solare Brauchwassernutzung - Skrit TU Graz