Vakuumröhrenkollektor

Bauweise von Sonnenkollektoren und Bestandteil einer thermischen Solaranlage

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.

AufbauBearbeiten

RöhrenBearbeiten

 
Vakuumröhre, in die ein Wärmerohr gesteckt ist

Vakuumröhrenkollektoren bestehen aus evakuierten Glasröhren, in denen ein Rohr mit einer die Sonnenstrahlung absorbierenden Schicht ist, in welchem ein Wärmeträger strömt. Folgende Varianten sind beispielsweise bekannt:

  • U-Rohr oder koaxiales Rohr steckt von einer Seite in der Vakuumröhre.
  • ein Wärmerohr („Heat-Pipe“) steckt von einer Seite in der Röhre und erhitzt die Wärmeträgerflüssigkeit in einer Sammelschiene.

Beide Varianten können mit einem einfachen Glasrohr[1] oder auch mit einem doppelwandigen Glasrohr realisiert werden: letztere sogenannte „Sydney“-Röhren sind zwei konzentrische Glasröhren, die wie bei einer Isolierkanne verschmolzen sind; 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 Sydney-Röhren haben den Vorteil, dass das Vakuum ausschließlich durch eine Glaswand abgeschlossen ist und daher technologisch schwierige Glas-Metall-Übergänge im Vakuumgefäß nicht erforderlich sind. Die starke und steigende Verbreitung hängt nicht zuletzt mit der Politik in China zusammen, wo Firmen und geeignete Technologien gefördert werden und somit – ohne Förderung von privaten Einzelprojekten – eine kosteneffiziente Massenfertigung entstand[2]. So ist z. B. in Peking die Warmwasserbereitung mit Solarkollektoren verpflichtend[3][4]. Hierzu sind Vakuumkollektoren wegen des höheren Temperaturniveaus, der kleineren Fläche und des weniger kritischen Montagewinkels vorteilhaft.

Eine weitere Variante sind Systeme, die aus zwei Glasröhren bestehen, 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.

 
Nahaufnahme eines Vakuumröhrenkollektors mit einem Compound Parabolic Concentrator (CPC)
 
Aufbau eines Vakuumröhrenkollektors mit Reflektor

AbsorberschichtBearbeiten

Der Absorber dient 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[5] 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[6] in ungefähr zwölf Einzelbedampfungen aufgebracht.

Da beim Vakuumkollektor die Abstrahlung der einzig verbleibende Weg der Wärmeverluste ist, kommt der selektiven Absorption besondere Bedeutung zu und ist daher Gegenstand der Forschung und Entwicklung.

FunktionBearbeiten

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.[7]

WirkungsgradBearbeiten

 
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.[8]

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[9]). 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.[10][11][12]

LiteraturBearbeiten

  • 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

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. https://www.soltop.ch/de/solarwaerme/roehrenkollektoren.html Firma Soltop zu Vakuum-Röhrenkollektoren, abgerufen am 19. Nov. 2019
  2. https://blog.paradigma.de/solarthermie-in-china-was-europa-lernen-kann/ Sven Tetzlaff: Solarthermie in China – Was Europa lernen kann, Beitrag für Ritter Energie- und Umwelttechnik GmbH & Co. KG, 18. August 2014, abgerufen am 19. Nov. 2019
  3. https://blog.paradigma.de/solarthermie-in-china/ Solarthermie in China, online-Beitrag der Ritter Energie- und Umwelttechnik GmbH & Co. KG, 18. August 2014, abgerufen am 19. Nov. 2019
  4. https://www.solarserver.de/2012/03/26/solarthermie-in-china-peking-macht-solare-warmwasserbereitung-fuer-neubauten-verpflichtend/ Solarthermie in China: Peking macht solare Warmwasserbereitung für Neubauten verpflichtend., Beitrag der EEM Energy & Environment Media GmbH vom 26. Mai 2012, abgerufen am 19. Nov. 2019
  5. https://www.spektrum.de/lexikon/physik/selektive-absorberschichten/13191 Spektrum.de Lexikon der Physik: selektive Absorberschichten, abgerufen am 2. Nov. 2019
  6. [1] (PDF-Datei; 523 kB) Englischer Text in dem auch das Sputtern (Beschichten) von Röhren erklärt wird
  7. Testbericht über die Frostbeständigkeit von Heatpipes (PDF-Datei; 646 kB)
  8. 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
  9. http://www.solarplumbingdesign.com/ess1.html Firma Solar Plumbing Design; Jessica Baldwin: Solar Water Heating Fundamentals, abgerufen am 2. Nov. 2019
  10. Optimierte Solarsysteme mit perfektioniertem Drain-Back
  11. Fachvortrag vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE (Memento des Originals vom 10. Juli 2012 im Internet Archive)  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)
  12. Solare Brauchwassernutzung - Skrit TU Graz