Vakuumröhrenkollektor

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Nahaufnahme eines Vakuumröhrenkollektors in CPC-Technik (Compound Parabolic Concentrator)
Dachmontage zweier Vakuumröhrenkollektoren auf einem Einfamilienhaus in Süddeutschland
Ein CPC-Vakuumröhrenkollektor
Aufbau eines CPC-Vakuumröhrenkollektors

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]

Vakuumröhrenkollektoren bestehen grundsätzlich aus Glasröhren, die ein Vakuum umschließen. Man unterscheidet das ältere System mit direktdurchströmten Röhren und die moderneren Röhren mit „Heat-Pipe“. Bei den älteren Systemen sind zwei Glasröhren durch einen weiteren Werkstoff versiegelt. 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. 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.

Der Absorber[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Absorber dient direkt der Aufnahme (lateinisch absorptio ‚Aufsaugung‘) der Wärmestrahlung des Sonnenlichts und kann unterschiedlich gestaltet sein. Bei einigen Modellen enthält die innere Glasröhre einen beschichteten Blechstreifen. Bei neueren Systemen ist eine Beschichtung auf der Oberfläche der inneren der zwei Glasröhren aufgetragen. Die Beschichtungen bestehen fast immer aus drei unterschiedlichen Lagen von aufgedampften Metallfilmen. Diese drei Metallfilme werden mittels Magnetronsputtern[1] in ungefähr zwölf Einzelbedampfungen aufgebracht. Zu dicke Schichten lösen sich bei Temperaturschwankungen leichter vom Glas ab, zu dünne vermindern den Wirkungsgrad. Wenn eine der Lagen aus Kupfer ist, sind die Röhren etwas besser im Wirkungsgrad.

Die aufgefangene Wärmeenergie kann durch ein in die „Thermoskanne“ ragendes Rohr (U-Rohr oder koaxiales Rohr) abtransportiert werden, das von der Wärmeträgerflüssigkeit direkt durchflossen wird. Die heute verbreitetere Variante ist der Einsatz eines Wärmerohres („Heat-Pipe“), das oben aus der Röhre herausgeführt wird, wo die Energie in einer vom Wärmeträger durchflossenen Schiene gesammelt und dann abgeführt wird. Vorteil dieser Anordnung ist das leichte Auswechseln einer defekten Vakuumröhre ohne Ablassen der Trägerflüssigkeit, Neubefüllen und Entlüften des Systems.

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 Umgebungsluft durch verminderte Konvektionsverluste stark verringert. Vor allem im Winter bringen Vakuumkollektoren auf Grund ihrer sehr guten Dämmung wesentlich höhere Erträge als Flachkollektoren, tauen aber bei Schnee- oder Eisbedeckung etwas schlechter ab. Die Widerstandsfähigkeit gegenüber sehr tiefen Temperaturen wird mit durchschnittlich -30 Grad Celsius angegeben. Dabei spielt es kaum eine Rolle, wie die Kollektoren konstruiert sind. Heatpipes bieten diesbezüglich keinen Vorteil.[2] Der Durchmesser der Vakuumröhre jedoch schon. Einzelne Hersteller geben den Grenzwert bei 70 mm Röhren mit -50 Grad Celsius an. Grundsätzlich ist jedoch unter -10 Grad Celsius Außentemperatur ein Frostschutz für die Leitungen vorzusehen. Dafür gibt es mehrere Möglichkeiten. Am verbreitetsten sind Frostschutzzusätze zum Wärmemedium. Bei Systemen, die mit reinem Wasser betrieben werden, übernimmt die Solarsteuerung die Überwachung der Temperaturgrenzwerte. Sinkt die Temperatur im Rücklauf auf ca. 4 Grad Celsius, wird entweder Wärme aus dem Speicher oder dem alternativen Heizungssystem in das Leitungsystem der Solaranlage gepumpt. Bei Drain-Back-Systemen wird das System entleert.

Wirkungsgrad[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Der Wirkungsgrad von Vakuumröhrenkollektoren hängt von mehreren Faktoren ab. Prinzipiell gilt: je größer der Durchmesser der Röhren, desto besser ist der Wirkungsgrad bei sonstigen vergleichbaren Röhren. Der Außendurchmesser und die Länge der Röhren sind nicht standardisiert, jedoch sind Röhren mit 48 mm und 58 mm Durchmesser sehr verbreitet. Direktdurchflossene Röhren haben bei gleicher Konstruktion der Röhren einen besseren Wirkungsgrad als Heatpipe-Röhren. Röhren mit direktdurchflossenem U-Rohr liegen im Wirkungsgrad zwischen Heatpipe und direktdurchflossenem Rohr. Beim Vakuumröhrenkollektor mit CPC-Spiegel liegt die Vakuumröhre vor einem Spiegel, der bei diffuser Strahlung (gestreutem Licht) die Leistung deutlich erhöht.

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 je nach Konstruktion und Anwendung bis zu 350 °C erreichen. Dadurch könnten die Vakuumröhrenkollektoren 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 typischerweise eine Anlage so ausgelegt, dass der entstehende Dampf die Solarflüssigkeit aus den Kollektoren presst. In den Rohrleitungen oder einem separaten Kühler (Vorschaltgefäß) kondensiert der Dampf wieder zu Flüssigkeit. 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.

Neuere Anlagenkonzepte lassen auch den Betrieb mit reinem Wasser zu. Bei solchen Systemen wird warmes Wasser vom Speicher in die Kollektoren gepumpt, um ein Einfrieren und Platzen der Rohre und Kollektoren bei zu tiefen Außentemperaturen zu verhindern. Spezielle Röhrenkollektoren und die meisten Röhrenkollektoren, die in erster Linie in Steam-Backsystemen verwendet werden, sind auch für Drucklossysteme geeignet. Für Drain-Back-Anlagen, bei denen der Kollektor bei ausgeschalteter Pumpe entleert wird und die Trägerflüssigkeit in einen geschlossenen Auffangbehälter läuft, sind praktisch alle Röhrenkollektoren geeignet. Die jeweiligen Anlagenkonzepte unterscheiden sich. In Asien werden vorrangig Drucklossysteme verwendet, in Mitteleuropa Steam-Backsysteme.

[3] [4][5]

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
  • Joachim Berner: Sicher vor zu viel Sonne. Drainback Systeme. Artikel aus der Zeitschrift Sonne Wind & Wärme, Jg. 34, Nr. 1, 2010, S. 76–81. ISSN 1861-938X

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. [1] (PDF-Datei; 523 kB) Englischer Text in dem auch das Sputtern (Beschichten) von Röhren erklärt wird
  2. Testbericht über die Frostbeständigkeit von Heatpipes (PDF-Datei; 646 kB)
  3. Optimierte Solarsysteme mit perfektioniertem Drain-Back
  4. Fachvortrag vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE (PDF-Datei; 894 kB)
  5. Solare Brauchwassernutzung - Skrit TU Graz