Sonnenkollektoren. Dimensionierung einer Solarwarmwasseranlage. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen

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Ein Solarwarmwassersystem kann als alleinige Warmwasserquelle dienen oder ein Backup-System mit konventionellen Brennstoffen umfassen, um einen erhöhten oder unerwarteten Warmwasserbedarf zu decken. Die Größe der Anlage wird in der Regel durch die Anzahl der Räume, Personen und die benötigte Warmwassermenge bestimmt. Es gibt verschiedene Grundkonfigurationen von Solarwarmwasserbereitern. Im Allgemeinen werden sie in zwei Typen unterteilt: aktive Systeme, die mit Pumpen und Steuerungen ausgestattet sind, die es ermöglichen, die Sonnenwärme in einen Wärmespeicher zu leiten, und passive Systeme wie einen Thermosiphon, die die natürliche Wärmezirkulation nutzen Wasser.

Bei der Einrichtung einer solaren Warmwasserbereitungsanlage ist es wichtig, sofort zu ermitteln, wie viel Warmwasser im Laufe des Tages durchschnittlich verbraucht wird. Basierend auf dieser Zahl werden die Abmessungen der Anlage (Kollektoren, Speicher) berechnet.

Der Hauptbestandteil einer Solaranlage ist der Solarkollektor. Am häufigsten werden Flachkollektoren verwendet, bestehend aus einer Absorberplatte (Absorber), auf der die Sonnenstrahlung in Wärme umgewandelt und an die Kühlflüssigkeit übertragen wird, einer Wärmedämmung an den Rändern und einem Kasten unter dem Absorber, der all dies enthält und sorgt für die nötige Belüftung der Glas- oder Kunststoffabdeckung.

Wenn für die Beschichtung Glas verwendet wird, ist es wichtig, dass der Eisengehalt des Glases gering oder gar nicht vorhanden ist, damit mindestens 95 % der Sonnenstrahlung durch das Glas gelangen. Am häufigsten wird eine einzelne Glasschicht verwendet. Wird Kunststoff verwendet, muss dieser UV-beständig sein. Polycarbonatplatten haben in der Praxis hervorragende Ergebnisse gezeigt.

Der Absorber ist eine Platte mit daran befestigten Rohren, durch die das Kühlmittel strömt. Es besteht aus Kupfer, Aluminium oder Edelstahl. Am besten haben sich Kupfer-Absorberrohre bewährt, da Stahlrohre sehr anfällig für Korrosion sind. Es ist wichtig, dass der Absorber beständig gegen ultraviolette Strahlung der Sonne und hohe Temperaturen ist, die bei konventionellen Kollektoren 100–140 °C und bei Kollektoren mit 150–200 °C erreichen können°C – mit selektiver Beschichtung.

Der Bau eines Flachkollektors erfordert das Löten von Rohren und deren Verbindung mit der Platte. Je näher die Rohre an der Platte anliegen, desto größer ist die Wärmeübertragung der darin fließenden Flüssigkeit. Der Absorber ist häufig mit einer speziellen selektiven schwarzen Farbe beschichtet, die die Sonnenstrahlen absorbiert und die Wärmestrahlung im Inneren einfängt. Gewöhnlicher schwarzer Lack verdunstet unter dem Einfluss hoher Temperaturen von der Metalloberfläche. Unter normalen Bedingungen strahlt schwarzer Lack mehr Wärme ab, anstatt sie an die Wärmeträgerflüssigkeit zu übertragen.

Der Körper eines Solarkollektors besteht aus verschiedenen Materialien: Holz, Kunststoff, Stahl und Aluminium werden mit unterschiedlichem Erfolg verwendet, aber Aluminium ist bei weitem das beste der aufgeführten Materialien. Es ist wetterbeständig, wartungsarm und in Schwarz erhältlich, sodass die Außenseite des Solarmoduls nicht lackiert werden muss. Die langjährige Praxis hat gezeigt, dass Kunststoff für die Herstellung verschiedener Solarpanel-Komponenten wenig brauchbar ist. Es ist nicht für Außenteile geeignet, da es unter ultravioletter Strahlung zersetzt wird: Es verblasst, verliert seine Härte und bekommt Risse. Kunststoff hat einen hohen Ausdehnungskoeffizienten, d. h. er dehnt sich so stark aus und zieht sich zusammen, dass es schwierig ist, die Fugen abzudichten. Auch die Verwendung von Stahlgehäusen ist mit Schwierigkeiten verbunden. Erstens müssen die Platten regelmäßig getönt werden, zweitens reagieren sie chemisch mit Kupferbestandteilen.

Solarkollektoren werden in der Regel direkt auf dem Dach eines Gebäudes oder auf einem Rahmen montiert auf einem Flachdach oder auf dem Boden installiert. Sie können Verteiler auch in das Dach integrieren. Manchmal gibt es Schwierigkeiten, den Raum zwischen dem Kollektor und dem restlichen Dachraum abzudichten.

Die Größe des Solarkollektors richtet sich nach dem täglichen Bedarf an Warmwasser. Im Durchschnitt verbraucht eine Person bis zu 50 Liter heißes Wasser pro Tag mit einer Temperatur von 55 – 60 °C°C (Waschen und Duschen, ausgenommen Wäsche). Es ist erwiesen, dass zur Erwärmung von 50 Litern Wasser pro Tag die durchschnittliche Fläche der Solarkollektoren 1–1,5 m2 betragen sollte. Der Preis des Kollektors hängt von seiner Größe und den Kosten seiner Installation ab. Letzteres lässt sich am einfachsten umsetzen, wenn bei der Entwicklung eines Projekts zum Bau eines neuen Hauses die Solaranlage berücksichtigt wurde. Der Architekt kann dann sowohl aus ästhetischer als auch aus wirtschaftlicher Sicht bereits im Vorfeld Sammler in sein Projekt einbeziehen.

Für typische Solarkollektoren mit selektivem Absorber, die Wasser auf 8–45 Grad erhitzen, gelten Standardregeln:

• Der Warmwasserverbrauch beträgt durchschnittlich 50 Liter pro Person und Tag.
• 1-1,5 m2 Sonnenkollektoren werden benötigt, um 50 Liter Wasser pro Tag zu erwärmen.
• Der Speichertank sollte 40-70 Liter Wasser pro 1 m2 des Solarkollektors fassen, also 80 Liter pro Person.
• Der Wärmetauscher im Speicher muss bei einer Temperatur von 40°C mindestens 60-2 W/°C pro m50 des Solarkollektors übertragen°C.

Wenn diese Regeln befolgt werden, kann ein typischer Solarkollektor in Mitteleuropa 60–70 % des jährlichen Warmwasserverbrauchs decken und 350–500 kWh/m2 pro Jahr produzieren. In großen Gebäuden (Hotels, Krankenhäuser, Mehrfamilienhäuser) sind die Kollektorfläche und das Tankvolumen pro Einwohner kleiner, jedoch ist eine detaillierte Analyse des Bedarfs und der örtlichen klimatischen Bedingungen erforderlich, um die optimale Größe der Anlage genau zu bestimmen. Die Erfahrung zeigt, dass Solaranlagen zur Warmwasserbereitung möglichst einfach und nicht zu groß sein sollten.

Beispiel

Eine 4-köpfige Familie, die täglich 200 Liter Warmwasser verbraucht, benötigt einen 6 m2 großen Kollektor. Eine solche Anlage erzeugt pro Jahr bis zu 3000 kWh umweltfreundliche Energie. Wird der Ölkessel durch einen Sammler ersetzt, beträgt die Heizöleinsparung mindestens 300 Liter pro Jahr.

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