Physik
Sonnenkollektor
Sonnenkollektor auf einem HausdachSonneneinstrahlung auf eine nach Süden geneigte FlächeAufbau eines SonnenkollektorsAufbau eines Flachkollektors mit direkt durchströmtem AbsorberBeispiel für ein NiedrigenergiehausFür Sonnenkollektoren nutzt man unterschiedliche Spiegel.
Sonnenkollektoren sind technische Anordnungen, mit deren Hilfe Strahlungsenergie der Sonne in thermische Energie umgewandelt wird. Sie werden genutzt, um Warmwasser oder Dampf zu gewinnen. Neben Flachkollektoren, die bei uns am weitesten verbreitet sind, nutzt man zur Erzeugung hoher Temperaturen verschiedene Arten von Spiegeln.

Sonnenstrahlung in Deutschland

Genutzt wird bei einem Sonnenkollektor die Strahlungsenergie der Sonne, die sich folgendermaßen zusammensetzt:

 
48 %
  sichtbares Licht
 
38 %
  infrarotes Licht (Wärmestrahlung)
 
7 %
  ultraviolettes Licht
 
7 %
  andere Strahlungsarten (Radiostrahlung, Röntgenstrahlung, kurzwellige UV-Strahlung)

Im Mittel beträgt die gesamte Sonneneinstrahlung im Jahr in Erdentfernung 1,36 kW auf jeden Quadratmeter (Solarkonstante). Die an einem Ort tatsächlich nutzbare Sonnenenergie ist wesentlich geringer. Zum einen wird durch die Atmosphäre der Erde ein erheblicher Teil der Strahlung absorbiert, sodass nur noch ca. 50 % bis zum Erdboden gelangen. Zum anderen ist zu beachten, dass zu einem bestimmten Ort der Erdoberfläche nur am Tage Sonnenstrahlung gelangt. Insgesamt sind das für Deutschland nur ca. 10 % der Energie, die von der Sonne in Richtung Erde abgestrahlt wird. Messungen haben ergeben: In Deutschland treffen auf eine nach Süden geneigte Fläche durchschnittlich 1 100 kWh im Jahr auf jeden Quadratmeter (Bild 2). Dabei gibt es ein Nord-Süd-Gefälle: In Norddeutschland sind es etwa 10 % weniger, in Süddeutschland etwa 10 % mehr als dieser genannte Durchschnittswert.

Aufbau und Wirkungsweise eines Sonnenkollektors

Eine Solaranlage zur Erzeugung von warmem Wasser besteht aus dem eigentlichen Kollektor und meist aus zwei Wasserkreisläufen, die durch einen Wärmetauscher miteinander verbunden sind (Bild 3).
Kaltes Wasser gelangt in den Kollektor. Dort wird Strahlungsenergie der Sonne auf das Wasser übertragen. Seine thermische Energie erhöht sich. Dieses erwärmte Wasser gelangt in den Wärmetauscher. In diesem Wärmetauscher erfolgt eine Energieübertragung. Thermische Energie vom Wasser des einen Kreislaufes wird auf das Wasser des anderen Kreislaufes übertragen. Dieses erwärmte Wasser kann dann zum Heizen oder als Brauchwasser genutzt werden.

Ziel ist es, möglichst viel Strahlungsenergie der Sonne zu nutzen. Für die Gewinnung von warmem Wasser werden meist Flachkollektoren verwendet, die man gut auf Hausdächern installieren kann (Bilder 1 und 4). Bei einem kastenförmig aufgebauten Flachkollektor (Bild 4) trifft die einfallende Sonnenstrahlung auf eine geschwärzte Platte aus Metall oder Kunststoff. Diese absorbiert die Strahlungsenergie weitgehend und wandelt sie in thermische Energie um. Damit die thermische Energie nicht gleich wieder durch Wärmestrahlung verloren geht, ist der Kollektor nach oben hin mit einer oder zwei transparenten Abdeckungen versehen, die Wärmestrahlung nach außen verhindern. Außerdem wird die Wärmeströmung verringert, da die Absorberplatte nicht in direktem Kontakt mit der Außenluft steht. Eine Wärmedämmung aus Mineralwolle oder Schaumstoff an den Seiten sowie an der Unterseite begrenzt weitere Wärmeverluste des Kollektors. Zur kontrollierten Wärmeabführung aus dem Kollektor lässt man ein Wärmeträgermedium, z. B. Wasser, in Kanälen oder in Rohren an der Absorberplatte vorbeiströmen.

Mithilfe von Sonnenkollektoren ist es heute möglich, einen erheblichen Teil der Heizung und des Brauchwassers für ein Haus zu gewinnen. Häufig erfolgt auch eine Kombination aus der Nutzung von Sonnenkollektoren zur Gewinnung von warmem Wasser und von Solarzellen zur Gewinnung elektrischer Energie. Da bei einem solchen Haus der zusätzliche Energieaufwand gering ist, spricht man auch vom Niedrigenergiehaus.

Verschiedene Arten von Sonnenkollektoren

Neben Flachkollektoren nutzt man auch andere Bauformen von Sonnenkollektoren, z. B. Parabolspiegel oder Zylinderspiegel, die die Strahlung zu einem Absorber hin reflektieren, der sich im Brennpunkt des betreffenden Spiegels befindet. Durch diese Bündelung der Strahlung werden im Absorber höhere Temperaturen erreicht als bei einem Flachkollektor. Teilweise nutzt man solche Anordnungen auch, um Wasserdampf zu erzeugen und damit kleine Kraftwerke zu betreiben. Man spricht dann von Sonnenkraftwerken.

Eine spezielle Form ist der in Frankreich existierende Sonnenofen, bei dem man durch eine spezielle Spiegelanordnung Temperaturen von über 3 000 °C erreichen kann. Genauere Informationen dazu sind unter dem Stichwort "Sonnenofen" zu finden.
In der Übersicht (Bild 6) ist angegeben, welche Temperaturen bei den verschiedenen Arten von Kollektoren erreicht werden, wie stark die Sonnenstrahlung konzentriert wird und wofür die Kollektoren angewendet werden.

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