Aufbau und Funktionsprinzip eines Solarkollektors (Heat-Pipe)
Aufbau des Kollektors:
Der Solarkollektor besteht aus Vakuumröhren aus Borosilikatglas. Bei der Herstellung wurde eine entsprechende Mischung aus SiO2- und B2O3-Oxiden verwendet, was zu einem Produkt mit guter chemischer Beständigkeit sowie außergewöhnlicher Reinheit und Homogenität führt. Borosilikatglas ist umweltfreundlich und kann mehrfach recycelt werden. Zudem wurde ein thermisches Entspannungsverfahren (Härten) angewendet. In Verbindung mit der für Borosilikatglas typischen geringen Wärmeausdehnung wurde im Vergleich zu gewöhnlichem Glas eine besonders hohe Beständigkeit gegen Temperaturwechsel erzielt. Die Röhren sind hagelbeständig bis zu einer Hagelgröße von 25 mm. Die Verwendung von Röhren mit Durchmessern von 47 mm und 58 mm ermöglicht die konzentrische Platzierung einer Röhre in der anderen. Die Luft zwischen den Röhren wird abgepumpt und die Röhren werden miteinander verschmolzen. Das Vakuum zwischen den beiden Glasschichten dient als hervorragender Isolator und verhindert Wärmeverluste. In einem dreifachen Magnetron-Metallisierungsverfahren wird ein Absorber (eine Verbindung, die Sonnenstrahlen absorbiert und in Wärmeenergie umwandelt) aufgebracht. Die neue spezielle Absorptionsschicht ALN/AIN-SS/CU mit Kupferzusatz stellt die nächste Generation von Absorptionsbeschichtungen dar. Als Nachfolgerin der AL/N/AL-Schicht zeichnet sie sich durch einen höheren Wirkungsgrad (um bis zu 12%) und hervorragende Absorptionseigenschaften für direkte und diffuse Sonneneinstrahlung aus. Zusätzliche Absorberschichten sollen so viel Energie wie möglich im Inneren der Röhren halten und Wärmeverluste durch Infrarotstrahlung verhindern. Das Innere der Vakuumröhre kann sich auf bis zu 300°C erwärmen. Im Inneren der Vakuumröhren ist ein sogenanntes „Wärmerohr“ (Heat Pipe) montiert. Aluminium-Radiatoren im Inneren der Vakuumröhren unterstützen die Energieübertragung auf die Kupfer-Wärmerohre. Nach dem Prinzip, dass der Siedepunkt mit sinkendem Druck sinkt, wurde der Druck im Inneren der Heat Pipe durch Absaugen der Luft gesenkt. Die Flüssigkeit im Inneren des Heat-Pipe-Wärmetauschers siedet dadurch bereits bei einer Temperatur von 25°C. Das für die Produktion verwendete Kupfer ist sauerstofffrei, was einen langen und zuverlässigen Betrieb gewährleistet.
Die hohe Effizienz des Kollektors resultiert aus der Fähigkeit, diffuse Sonneneinstrahlung (z. B. an bewölkten Tagen) zu absorbieren und Wärmeverluste maximal zu begrenzen. Energie wird nicht nur aus direkt einfallenden Sonnenstrahlen gewonnen, sondern auch aus reflektiertem Licht. Die Sammelleitung (Manifold) des Kollektors besteht aus einem Kupferrohr. In ihrem Inneren sind Kupferhülsen montiert, in die der Kondensator des Wärmerohrs eingesetzt wird. Um einen besseren Kontakt zwischen den Kupferoberflächen und somit eine effizientere Wärmeübertragung zu erreichen, wird an den Kontaktstellen hochtemperaturbeständige Wärmeleitpaste aufgetragen. Die Sammelleitung des Kollektors ist thermisch mit Mineralwolle isoliert. Obwohl diese etwas schlechtere Isoliereigenschaften als Polyurethanschaum aufweist, ist sie in diesem Fall die bessere Lösung. Mineralwolle oxidiert nicht und ist beständiger gegen hohe Temperaturen, die beispielsweise bei einem Stillstand des Flüssigkeitskreislaufs in der Anlage auftreten können. In der Sammelleitung befindet sich auch ein Platz für die Montage eines Temperatursensors. Das Gehäuse der Sammelleitung des Kollektors sowie dessen Rahmen (Gestell) bestehen aus Aluminium. Die Verwendung von Leichtmetallen ist bei der Montage von Kollektoren auf Gebäudedächern von recht großer Bedeutung.
Funktionsprinzip:
Die Energie der Sonnenstrahlen erwärmt das Innere der Vakuumröhren. Über die Aluminium-Radiatoren wird die Wärme aus dem Inneren der Röhre an die „Heat Pipes“ übertragen. Bereits nach kurzer Zeit, bei einer Temperatur von 25°C, beginnt die Flüssigkeit im Wärmerohr zu verdampfen. Der Dampf steigt nach oben in den Kopf des Wärmetauschers (Kondensator), wo er über die Sammelleitung des Kollektors Wärme abgibt und wieder kondensiert. Er fließt dann wieder zum Boden des Wärmerohrs zurück, um den gesamten Prozess zu wiederholen. Das durch den Kollektor fließende Wärmemedium (z. B. Glykol) hat keinen Kontakt mit den Vakuumröhren und dem darin aufgebrachten Absorber, sondern nimmt lediglich die Wärme vom Kondensator der „Heat Pipe“ auf. Die Verbindung der „Heat Pipes“ mit dem Wärmetauscher (in dem das Glykol fließt) ist eine „trockene“ Verbindung.
Die einfachste und kostengünstigste Installation ist eine Schwerkraftanlage (Thermosiphon). Das im Kollektor erwärmte Wärmemedium steigt ohne den Einsatz einer Umwälzpumpe zum oberen Teil des Speichers auf; nach der Wärmeabgabe im Speicher kehrt das abgekühlte Medium zum Kollektor zurück. Bei einem solchen System ist es erforderlich, den Speicher oberhalb der Kollektoren zu platzieren. In der Praxis erzwingt dies die Aufstellung der Kollektoren auf Gestellen am Boden und des Speichers in einem oberen Stockwerk des Gebäudes.
Die zweite angewendete Lösung ist eine Anlage mit erzwungenem Kreislauf (Pumpensystem). Sie weist die Nachteile der Schwerkraftanlage nicht auf, erfordert jedoch den Einsatz einer Pumpe und einer automatischen Steuerung. Typischerweise werden in einem solchen Kreislauf Speicher verwendet, die mit zwei Rohrschlangen ausgestattet sind (bivalente Speicher). Sie ermöglichen die Zusammenarbeit mit zwei Wärmequellen. An die untere Solarschleife ist die Solaranlage angeschlossen, an die obere der Heizkessel. Wenn günstige Bedingungen herrschen (die Mediumtemperatur im Kollektor ist um 5 bis 8 Grad Celsius höher als die Wassertemperatur im Speicher), wird automatisch die Umwälzpumpe eingeschaltet, die das erwärmte Medium vom Kollektor in die Rohrschlange im Speicher fördert.
Im Falle einer Beschädigung einer Vakuumröhre funktioniert das gesamte System weiterhin. Es sinkt lediglich die Effizienz des Systems. In den Vakuumröhren befinden sich keine Flüssigkeiten, was bedeutet, dass eine Röhre jederzeit demontiert werden kann, ohne das System entleeren zu müssen.
Für eine schnelle und einfache Verbindung des Kollektors mit dem Pufferspeicher empfehlen wir die Verwendung von doppelten vorisolierten Rohren mit synthetischem Kautschukschaum von erhöhter thermischer Beständigkeit. Die Rohre bestehen aus Edelstahl oder weichem Kupfer. Ihre Flexibilität führt dazu, dass zwischen Kollektor und Speicher keine zusätzlichen Verbinder oder Fittings verwendet werden müssen. Sie sind zudem mit einem integrierten Steuerkabel (für den Temperatursensor im Kollektor) ausgestattet. Neben der Einhaltung höchster technischer Parameter zur Minimierung von Energieverlusten verkürzt dieses System die Montagezeit der Anlage erheblich und erhöht deren Zuverlässigkeit.
Vorteile:
- Höhere Effizienz des Vakuumkollektors mit Heat-Pipe-System (Ganzjahresbetrieb).
- Möglichkeit der Auswahl verschiedener Kollektorgrößen für unterschiedliche Speichergrößen.
- Die Beschädigung einer Vakuumröhre mit Heat Pipe führt nicht zum Ausfall des gesamten Systems, sondern verringert nur die Effizienz des Kollektors.
- Geringere Wahrscheinlichkeit einer Kollektorverstopfung im Vergleich zu Flachkollektoren oder solchen auf Basis von U-Rohren.
- Möglichkeit der Kopplung mit dem Zentralheizungssystem zur Reduzierung der Energiekosten.