Röhrenkollektor, Vakuum-Röhrenkollektor, Aufbau, Funktion

Das funktionelle Grundprinzip eines Röhrenkollektor ist völlig identisch mit dem eines Flachkollektors≡Flachkollektor≡
Der Flachkollektor ist ein einfach aufgebauter Solarkollektor mit wasserdurchströmten, wärmeaufnehmenden Absorberblechen in einem gut wärmegedämmten, mit Glas abgedeckten Kasten. Die Absorberbleche verfügen über eine selektive Beschichtung (TiNOx). Flachkollektor besitzen ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis, weshalb sie heute überwiegend eingesetzt werden. (siehe »› Flachkollektor, Aufbau, Funktion). Das selektiv beschichtete Absorberblech (siehe »› Absorber- Beschichtung von Kollektoren) dient wie bei Flachkollektoren der Aufnahme und Weiterleitung der Sonnenwärme. Vakuum-Röhrenkollektoren nutzen allerdings eine besondere Art der Wärmedämmung≡Wärmedämmung≡
Eine Wärmedämmung mindert den Wärmestrom von der warmen zur kälteren Seite eines Bauteiles. Dazu werden Stoffe mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit (Wärmedämmstoff) als Schicht zwischen Warm und Kalt eingebracht. Eine sehr gute Wärmedämmung wird mit einem Vakuum erzielt (Thermoskanne). Auch ruhende Luft dämmt den Wärmefluss sehr gut. Um eine hohe Wärmedämmwirkung zu erzielen, dürfen Wärmedämmstoff(e) nicht durchströmt werden und eine bestimmte Einbaudicke nicht unterschreiten.. Vakuum ist ein sehr guter "Wärmedämmstoff", weshalb diese Kollektoren≡Kollektor≡
Ein Kollektor ist ein Wärmesammler, z.B. ein Solarkollektor der die Wärme der Solarstrahlung aufnimmt und an die Solarflüssigkeit übergibt, ein Erdreichkollektor, der dem Erdreich Wärme entzieht und an die Sole übergibt oder ein Luftkollektor, der solare Wärme an vorbeiströmende Luft übergibt. weniger der mühsam gewonnenen Wärme wieder abgeben als Flachkollektoren.

Kleiner Vakuum-Röhrenkollektor für den Warmwasserbedarf eines 2-Personenhaushaltes

Vakuum-Röhrenkollektor mit Spiegelreflektor; am oberen Rand erkennt man ein Solarstrommodul≡Solarstrommodul≡

Das Solarstrommodul ist das wesentliche Bauelement von Solarstromanlagen. Ein Modul besteht aus einer Reihenschaltung und Parallelschaltung mehrerer Solarzellen, die in einem luft- und witterungsdichten Gehäuse eingschlossen sind. Die Solarzellen wandeln Licht in elektrische Energie um. Die abgebene Spannung ist eine Gleichspannung, die bei Netzparallelanlagen durch einen Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt wird. Solarstrommodule gibt es in verschiedenen Ausführungen und Größen sowie für spezielle Gestaltungen auch in unterschiedlichen Farben. zum Antrieb der Gleichstromumwälzpumpe

Mehrere der mit einem Absorber≡Absorber≡
Der Absorber ist ein Bauelement in der Energietechnik, das Umgebungswärme bzw. Wärmestrahlung aufnehmen (absorbieren) kann und an einen Wärmeträger, z. B. Wasser oder ein Kältemittel (bei Wärmepumpen) weitergibt. Ein Absorber ist auch das Herzstück des Solarkollektors zur Warmwassererzeugung. Er besteht hier aus geschwärztem bzw.speziell beschichteten und gut Wärme leitendem Blech, z. B. Aluminium oder Kupfer. Dabei wird bis 90 % der Solarstrahlung wird in Wärme umgewandelt. versehenen und evakuierten Glasrohre werden nebeneinander in ein Gestell eingelegt und miteinander verbunden. Je nach Art der Auskopplung der Wärme unterscheidet man direkt und indirekt durchströmte Röhren-Kollektoren.

Direkt durchströmter Vakuum-Röhrenkollektor

Flache Absorber werden in Glasrohre untergebracht, denen die Luft fast völlig entzogen wurde (evakuiert). Das Absorberrohr wird direkt von Solarflüssigkeit≡Solarflüssigkeit≡ Die Solarflüssigkeit ist der Wärmeträger (meist Wasser) in Solarwärmeanlagen. Die Solarflüssigkeit erwärmt sich in den Absorberkanälen eines Solarkollektors und gibt diese Wärme im Wärmetauscher eines Wasserspeichers wieder ab. Die Solarflüssigkeit wird mit einem lebensmittelverträglichen Frostschutzmittel versetzt, um die Einfriergefahr im Winter (bis -25 °C) zu beseitigen. durchströmt. Man bezeichnet diesen Typ daher als direkt durchströmter Vakuumröhrenkollektor≡Vakuumröhrenkollektor≡ Ein Vakuumröhrenkollektor ist ein spezieller Solarkollektor für Anlagen zur Brauchwarmwassererzeugung und Heizungsunterstützung. Im Gegensatz zum so genannten Flachkollektor befindet sich bei einem Vakuumröhrenkollektor je ein Absorber in einer luftleeren Glasröhre, die zu Gruppen zusammengeschlossen werden. Durch das nichtwärmeleitende Vakuum ergeben sich geringere Wärmeverluste als bei einem Flachkollektor. Ein Vakuumröhrenkollektor hat dadurch einen besseren Wirkungsgrad (etwa 20 bis 30 %) in der Übergangszeit und bei einem hohen Anteil diffuser Strahlung. Infolge der hohen Herstellungskosten haben Vakuumröhrenkollektor eine schlechteres Preis-Leistungs-Verhältnis als Flachkollektoren.. Ein direkt durchströmter Röhrenkollektor besteht also aus einzelnen am Sammler parallel geschalteten Kollektorelementen. Der Ausfall eines Elementes führt nicht zum Totalausfall des gesamten Kollektors, weshalb ein Defekt auch nicht selten unbemerkt bleibt. Der Leistungsabfall ist beim Ausfall eines einzelnen Rohres zunächst gering. Ausfallursache kann das Einströmen von Luft in das Glasrohr sein, wodurch sich die Wärmedämmung drastisch verschlechtert (Luftzieher). Beim Austausch eines defekten Rohres muss in das wasserführende System eingegriffen werden. Bildquelle: Institut für wirtschaftliche Oelheizung
Direkt durchströmter Vakuum-Röhrenkollektor mit selektiv beschichteter Innenröhre

Gewölbte Absorber werden in doppelwandige Glasröhren gesteckt, deren Hohlraum evakuiert ist. Bei diesen Vakuumröhren strömt die Solarflüssigkeit durch die mit Wärmeleitblechen (7) versehenen Kupferrohre. (6) Darüber ist ein evakuiertes Glasdoppelrohr (4) ("Thermoskanne") geschoben. Ein Spiegel (2) reflektiert die am Rohr vorbei gehende Solarstrahlung≡Solarstrahlung≡ Die Solarstrahlung ist die von der Sonne in den Weltraum ausgehende Energie. Sie entsteht infolge der Kernfusion im Sonneninneren. Die auf die Erde auftreffende durchschnittliche Solarstrahlungsleistung beträgt 1.000 W/m². Die in Mitteleuropa auftreffende und damit theoretisch nutzbare Energiemenge macht etwa 1000 kWh/m² im Jahr aus. Man unterscheidet direkte Strahlung und diffuse Strahlung. (1, rot). Dieser direkt durchströmte Röhrenkollektor besteht ebenfalls aus einzelnen, am Sammler parallel geschalteten Kollektorelementen. Der Ausfall eines Elementes führt nicht zum Totalausfall des gesamten Kollektors, weshalb ein Defekt nicht selten unbemerkt bleibt. Der Leistungsabfall beim Ausfall eines einzelnen Rohres ist zunächst gering. Ausfallursache kann das Einströmen von Luft in das Glasrohr sein, wodurch sich die Wärmedämmung drastisch verschlechtert (Luftzieher). Beim Austausch eines defekten Rohres muss nicht in das wasserführende System eingegriffen werden, da ein defektes Rohr einfach abgezogen und gegen ein neues ausgetauscht wird. Abbildung: Solvis Braunschweig
Indirekt durchströmter Vakuum-Röhrenkollektor

Indirekt durchströmter Röhrenkollektor mit trockener Anbindung, so genanntes heat-pipe≡heat-pipe≡ Die heat-pipe ist ein wesentliches Teil eines speziellen Vakuumröhrenkollektors (Solarkollektor). Diese heat-pipe dient der Übergabe der vom Absorber aufgenommenen Solarwärme an ein mit Alkoholdampf gefülltes Wärmerohr. Bei der Kondensation des Alkoholdampfes am oberen Ende des Wärmerohres wird die aufgnommene Wärme an die Solarflüssigkeit (Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel) übertragen und abgeführt.. Die Röhre selbst wird in diesem Fall nicht direkt von solarer Flüssigkeit durchströmt. Teil des Absorbers ist ein Wärmerohr, welches mit einer schon bei niedrigen Temperaturen siedenden Flüssigkeit gefüllt ist (z.B. Alkohol). Der Alkohol verdampft bei entsprechender Sonneneinstrahlung. An der Koppelstelle zur Wärmeträgerflüssigkeit kommt es zur Wärmeübertragung≡Wärmeübertragung≡ Wärme wird von einem zum anderen Körper bzw. Medium übertragen durch Konvektion, Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung., wodurch sich der Alkoholdampf abkühlt, kondensiert und in das Wärmerohr zurückfließt. Voraussetzung für einwandfreies Funktionieren ist daher die Montage in leicht geneigter Lage (ca. 20°). Ein indirekt durchströmter Röhrenkollektor besteht also aus einzelnen Kollektorelementen die unabhängig voneinander arbeiten≡Arbeit≡ Arbeit im physikalischen Sinne stellt die in einem Vorgang verbrauchte Wärme- bzw. Energiemenge dar. Die physikalische Einheit ist die kiloWattstunde (kWh). Eine Energiemenge von einer kWh wird verbraucht, wenn z.B. ein Heizgerät mit einer Anschlussleistung von 1 kW eine Stunde ununterbrochen in Betrieb ist. . Der Ausfall eines Elementes führt nicht zum Ausfall des gesamten Kollektors. Der Austausch eines defekten Rohres erfolgt ohne Eingriff in das wasserführende System. Andererseits wird der Ausfall eines Elementes auch nicht unbedingt bemerkt. Ausfallursache kann das Einströmen von Luft in das Glasrohr sein, wodurch sich die Wärmedämmung und damit der Wirkungs drastisch verschlechtert (Luftzieher). Bildquelle: Institut für wirtschaftliche Oelheizung
	Indirekt durchströmter Vakuum-Röhrenkollektor mit selektiv beschichteter Innenröhre auf der Dachfläche montiert, Abbildung: Solvis Braunschweig
	CPC-Kollektor≡CPC-Kollektor≡ Ein CPC-Kollektor ist ein Vakuumröhrenkollektor mit konzentrierendem Spiegel auf der Rückseite. Der Absorber ist im Vakuumrohr (Glasrohr) kreisrund angeordnet. Die Reflexion der Solarstrahlung durch den Spiegel ermöglicht auch die Nutzung der Strahlung, die zwischen die Röhren auftrifft. Gegenüber dem Flachkollektor erreicht der CPC-Kollektor ca. 30 % Mehrertrag. Der CPC-Kollektor erlaubt eine lageunabhängigere Nutzung der Solarenergie. Abb.: Consolar
	Indirekt durchströmte Vakuum-Röhrenkollektoren mit selektiver Innenbeschichtung des Innerohres unter Verwendung von Wärmeleitblechen aus Aluminium Abbildung: wagner-solar.com

Röhrenkollektoren sind bezogen auf den erzielbaren solaren Ertrag deutlich teurer. Sie können ihre Wirkungsgradvorteile auch nicht in jedem Fall voll ausspielen. Für die Warmwasserbereitung sind Röhrenkollektoren unwirtschaftlicher als die meisten Flachkollektoren.

siehe auch