Als Flachkollektor oder Solar-Flachkollektor bezeichnen Expert:innen das Herzstück einer Solarthermie-Anlage. Diese Art von Wärmeerzeuger kann Sonnenlicht in nutzbare Wärme zum Heizen, für Warmwasser, aber auch für Fernwärme oder industrielle Prozesswärme umwandeln. Flachkollektoren sind in den meisten Solarthermie-Anlagen in Deutschland verbaut. Der Marktanteil von Flachkollektoren liegt bei rund 80 Prozent. Andere Arten von Solarkollektoren sind Vakuumröhrenkollektoren und konzentrierende Kollektoren, wie Parabolrinnen.
Der Aufbau eines Flachkollektors
Der Aufbau eines Flachkollektors besteht aus einem Gehäuse, das auf der Vorderseite mit einer Glasscheibe abgedeckt ist. So kann das Sonnenlicht in Innere des Gehäuses gelangen und auf den Absorber treffen. Der Absorber absorbiert die Solarstrahlung und heizt sich dadurch auf. Am Absorber sind Rohre befestigt. Durch diese Rohre strömt die Wärmeträgerflüssigkeit, die die Solarwärme aufnimmt und in den Solarspeicher transportiert.
Hochselektive Solarabsorber
Der Solarabsorber im Inneren eines Flachkollektors wandelt also das Sonnenlicht in Wärme um. Beim Absorber handelt es sich um eine dünne Metallplatte, die mit einer hochselektiven Beschichtung versehen ist. Der Solarabsorber besteht aus Aluminium oder Kupfer. Weil Aluminium kostengünstiger ist, kommt es weitaus öfter zum Einsatz als Kupfer.
Die hochselektive Beschichtung auf der Absorber-Oberfläche sorgt dafür, dass das Sonnenlicht sehr effizient in Wärme umgewandelt wird. Gleichzeitig reduziert diese Beschichtung die Abstrahlung von Infrarotlicht. Heutige Beschichtungen nehmen mehr als 95 Prozent des Lichtes auf und strahlen weniger als 5 Prozent ab. Die beiden wichtigsten Hersteller von selektiven Beschichtungen auf Aluminum oder Kupfer für die internationalen Solarthermie-Märkte sind das deutsche Unternehmen Alanod und die italienische Almeco Group, die die in Deutschland entwickelte Tinox-Beschichtung im sachsen-anhaltinischen Bernburg fertigt. Tinox war die erste hochselektive Absorber-Beschichtung in der Solarthermie und sie kam bereits Mitte der 1990er Jahre auf den Markt. Neben diesen beiden Spezialisten fertigt der Kollektorhersteller Viessmann eine eigene hochselektive Absorber-Beschichtung. Auch Savosolar aus Finnland nutzt eine eigene Technologie.
Flachkollektor erreicht hohen Wirkungsgrad
Dank der hohen Effizienz der heutigen Absorber-Beschichtungen erreicht der Flachkollektor einen maximalen Wirkungsgrad von rund 80 Prozent. Dieser maximale Wirkungsgrad tritt dann auf, wenn der Absorber nicht wärmer als die Temperatur der Umgebung ist, in der sich der Solarkollektor befindet. Je mehr sich der Kollektor aufheizt, desto größer werden die Wärmeverluste und der Wirkungsgrad nimmt ab. Flachkollektoren erzielen bis in einen Temperaturbereich von etwa 80 Grad Celsius noch einen hohen Wirkungsgrad. Daher setzt man sie für Anwendungen in diesem Temperaturbereich ein.
Wenn bei Sonnenschein keine Wärmeabnahme erfolgt, weil der Speicher voll aufgeladen ist, heizt sich der Solarkollektor bis zur sogenannten Stagnationstemperatur auf. Diese liegt bei einem guten Flachkollektor jenseits von 200 Grad Celsius. Daher kommt es zu einer starken thermischen Belastung der Materialien. Problematisch wird es, wenn die diese Temperatur auf relativ empfindliche Komponenten wie die Solarpumpe oder das Membranausdehnungsgefäß übertragen werden. Denn diese nehmen bei hohen Temperaturen Schaden. Mittlerweile stellt Viessmann eine Absorber-Beschichtung her, die bei höheren Temperaturen die Infrarotabstrahlung steigert. Das reduziert die Stagnationstemperatur auf 140 bis 160 Grad Celsius. Auch Alanod fertigt eine Beschichtung mit dieser Eigenschaft.
Mäander oder Harfe
Um den Abtransport der Wärme zu ermöglichen, besteht der Absorber aus einem Verbund aus beschichteter Metallplatte und einem Rohrregister. Alternativ zum Verbundabsorber setzen Hersteller wie Savosolar auf vollflächig durchströmte Absorber. Das sind Metallstrukturen, in die man die Strömungskanäle direkt einarbeitet. Von solchen vollflächig durchströmten Absorbern verspricht man sich einen besseren Wärmeübergang vom Metall auf die Wärmeträgerflüssigkeit.
Beim typischen Flachkollektor mit Verbundabsorber besteht das Rohrregister aus Kupfer. Für die dauerhafte Verbindung mit dem Absorberblech setzt die Solarthermie-Industrie unterschiedliche Verfahren wie das Schweißen mit Laser oder Ultraschall ein. Aber auch eine Klebeverbindung ist möglich. In diesem Fall wird das Kupferrohr mit einem Omega-förmigen Blech ummantelt, das auf die Rückseite des Absorbers geklebt wird.
Die Form des Rohrregisters unterscheidet sich je nach Hersteller. Häufig kommt ein sogenannter Mäander zu Einsatz. Dabei handelt es sich um eine durchgehende Rohrschlange, die aus einem Rohr gebogen wird. Die Alternative ist ein Harfenabsorber, der aus mehreren parallelen Kupferrohren besteht, die oben und unten an ein Sammelrohr gelötet werden. Der Mäander ist leichter herzustellen und spart Materialkosten ein. Der höhere Druckverlust beim Mäander limitiert aber die Anzahl der Mäanderkollektoren, die in Serie geschaltet werden können. Manche Hersteller wie Solvis produzieren daher Sonnenkollektoren mit einem Doppelmäander, das heißt, sie schalten zwei Mäander parallel.
Schnelle Entleerung vom Flachkollektor im Stagnationsfall
Ein Vorteil des Mäanders ist seine schnelle Entleerung im Stagnationsfall. Warum ist das wichtig? Sobald die Stagnationstemperatur erreicht ist, verdampft das Frostschutzgemisch aus Wasser und Glykolen, das sich im Absorberrohr befindet. Wenn der entstehende Dampf die Flüssigkeit schnell aus dem Absorber herausdrückt, dann entsteht nur wenig Dampf. Experten sprechen von einer schnellen Entleerung. Wenn aber im Absorber über einen längeren Zeitraum Flüssigkeitsreste weiter und weiter verdampfen, kann in ungünstigen Fällen so viel Dampf entstehen, dass dieser bis zu den temperaturempfindlichen Komponenten vordringen kann. Bei weniger gut entleerenden Solarkollektoren setzen die Hersteller in der Solarthermie-Anlage daher Vorschaltgefäße zum Schutz des Ausdehnungsgefäßes ein. Ein Vorteil der temperaturreduzierten Absorber-Beschichtungen ist es, dass aufgrund der Druckverhältnisse im Solarkreis bei 140 Grad Celsius kein Dampf entsteht. Dadurch spart man Komponenten und Kosten ein.
Eisenarmes Solarglas
Auf der Vorderseite des Flachkollektors sorgt eine spezielle Gasscheibe aus eisenarmem Solarglas für einen optimalen Lichteinfall. Gleichzeitig verringert die Gasscheibe die Wärmeverluste auf der Vorderseite. Bei einigen Kollektormodellen setzen die Hersteller auch eine Doppelverglasung ein, um die Wärmeverluste zu reduzieren. Diese sogenannten Isoliergaskollektoren erreichen dadurch bessere Wirkungsgrade bei höheren Temperaturen bis über 100 Grad Celsius hinaus, wie sie etwa für die Einspeisung in ein Fernwärmenetz nötig sein können. Doppelverglasung spielt daher vor allen bei Großflächenkollektoren eine Rolle, die speziell für Fernwärme oder Prozesswärme optimiert sind. Auf der Rückseite des Flachkollektors verringert eine Dämmplatte aus Mineralwolle die Wärmeverluste.
Gehäuse aus Aluminium
Das Gehäuse eines Flachkollektors besteht meist aus Aluminium. Auch hier setzen die Hersteller verschiedene Fertigungstechniken ein. Oft sind es vier Aluminiumprofile als Seitenwände, die die Hersteller mit einer Rückwand verkleben oder verschweißen. Alternativ dazu gibt es aber auch Wannenkollektoren, bei denen man das Gehäuse aus einem einzigen Blech zieht.
Dank des stabilen Gehäuses, der metallischen Komponenten und des bruchsicheren Glases kann ein Flachkollektor mehr als 30 Jahre lang Wärme produzieren. Alterungstests von Forschungsinstituten lassen darauf schließen, dass auch nach 30 Jahren der Wirkungsgrad nur minimal abnimmt. Das bestätigen auch Messungen an Solarkollektoren, die mehr als 30 Jahre in Betrieb sind.
Flachkollektoren können auch aus temperaturbeständigen Polymeren gefertigt werden, wie das norwegische Unternehmen Inaventa Solar beweist. Die Vorteile sind niedrige Kosten und eine flexible Fertigung von unterschiedlichen Längen. Damit kann man zum Beispiel Fassadenelemente in Längen herstellen, die auf das Gebäude abgestimmt sind. Aufgrund der eingeschränkten Temperaturbeständigkeit des Kunststoffes muss man die Stagnationstemperatur begrenzen.
Unabgedeckter Solarkollektor
Aus Kunststoff bestehen in der Regel auch die unabgedeckten Kollektoren. Dieser Kollektortyp kommt ohne Glasabdeckung und oft ohne Rahmen und Rückwand aus und besteht daher meist nur aus dem Solarabsorber. Es kann sich auch um einfache schwarze Schläuche handeln. Es gibt aber auch vollflächig durchströmte Kunststoffplatten. Etwas aufwändiger sind die vollflächig durchströmten Edelstahlabsorber des Schweizer Herstellers Soltop Energie, die mit Rahmen und Rückwanddämmung ausgestattet sind. Unabgedeckte Solarkollektoren sind besonders effizient, wenn die erzeugte Temperatur die Umgebungstemperatur kaum übersteigt. Die Schwimmbadbeheizung ist eine typische Anwendung, denn dafür reichen 25 bis 30 Grad Celsius aus, und bei sommerlichen Temperaturen ist dies nah an der Umgebungstemperatur. Unabgedeckte Solarkollektoren können aber auch zur Vorwärmung genutzt werden, und sie können als Wärmequelle in Wärmepumpensystemen zum Einsatz kommen. PVT-Kollektoren, die Solarthermie und Photovoltaik verbinden, sind oft ebenfalls unverglast. Sie erzeugen gleichzeitig Solarstrom und Solarwärme.
Vakuum-Flachkollektor
Einen weiteren Spezialfall des Flachkollektors stellt der Vakuum-Flachkollektor dar. Hersteller dieser Bauform des Solarkollektors sind TVP Solar in der Schweiz und Thermosolar in der Slowakei. Beim Vakuum-Flachkollektor befindet sich der Absorber in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse, in dem man ein Vakuum herstellt. Dadurch sind die Wärmeverluste sehr gering und ein Vakuum-Flachkollektor kann Temperaturen von deutlich mehr als 100 Grad Celsius bereitstellen. Die Stagnationstemperatur kann mehr als 300 Grad Celsius erreichen. TVP Solar setzt zudem Antireflex-beschichtetes Solarglas ein, um möglichst viel Sonnenlicht auszunutzen.
Klassische Flachkollektoren sind anders als Vakuum-Flachkollektoren nicht hermetisch geschlossen. Daher schlägt sich nachts Kondenswasser am Absorber nieder, das morgens wieder wegdampft. Eine gute Belüftung, die Kondenswasser schnell entfernt und gleichzeitig nur geringe Wärmeverluste verursacht, ist daher für einen Flachkollektor wichtig. Das gilt insbesondere für Flachkollektoren, die als Quelle für Sole-Wärmepumpen eingesetzt werden. Denn diese können den Solarrücklauf auch im Betrieb unter die Umgebungstemperatur auskühlen, was eine verstärkte Kondensation zur Folge hat.
Solar-Luftkollektor
In der Regel stellen Solarkollektoren Wärme über einen flüssigen Wärmeträger bereit. Damit kann die Wärme in die typische wasserbasierte Heiztechnik eingespeist werden. Eine Alternative sind Solar-Luftkollektoren, die Solarenergie auf einen Luftstrom übertragen. Solche Kollektoren können immer kommen dann zur Anwendung kommen, wenn die Lüftungsanlage auch für die Heizung zuständig ist. Das kann die Beheizung von Gewerbehallen oder von Niedrigenergiehäusern mit Luft-Luft-Wärmepumpen sein. Auch Trocknungsprozesse in Industrie, Gewerbe und Landwirtschaft, die mit Luft arbeiten, gehören dazu. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Luftkollektoren als Quelle für Luft-Wasser-Wärmepumpen zu nutzen. Eine häufige Anwendung besteht darin, in saisonal genutzten Ferienhäusern für eine permanente Lüftung und Entfeuchtung zu sorgen.
In ihrem Aufbau sind Solar-Luftkollektoren den Flachkollektoren ähnlich. Auch sie enthalten einen beschichteten Absorber, der in einem Aluminiumgehäuse mit Glasabdeckung untergebracht ist. Experten unterscheiden dabei, ob der Absorber von der Luft über- oder unterströmt wird. Auch eine Durchströmung durch perforierte Absorber ist möglich.