Solarthermischer Kollektor

Ein Solarthermiekollektor sammelt Wärme durch Absorption von Sonnenlicht . Der Begriff „Solarkollektor“ bezeichnet üblicherweise eine Vorrichtung zur solaren Warmwasserbereitung , kann aber auch große Kraftwerke wie Parabolrinnenkraftwerke und Solartürme oder Geräte zur Nicht- Warmwasserbereitung wie Solarkocher oder Solarluftkollektoren bezeichnen . ^{[ 1 ]}

Solarthermische Kollektoren lassen sich in konzentrierende und nichtkonzentrierende Kollektoren unterteilen . Bei nichtkonzentrierenden Kollektoren entspricht die Aperturfläche (d. h. die Fläche, die die Sonnenstrahlung empfängt ) in etwa der Absorberfläche (d. h. der Fläche, die die Strahlung absorbiert). Ein gängiges Beispiel für ein solches System ist eine Metallplatte, die dunkel lackiert ist, um die Absorption des Sonnenlichts zu maximieren. Die Energie wird dann durch Kühlung der Platte mit einem Arbeitsmedium , häufig Wasser oder Glykol, gewonnen , das durch an der Platte befestigte Rohre fließt.

Konzentratorkollektoren besitzen eine deutlich größere Apertur als die Absorberfläche. Die Apertur ist typischerweise als Spiegel ausgebildet, der auf den Absorber fokussiert ist. Dieser besteht in den meisten Fällen aus den Leitungen, die das Arbeitsmedium transportieren. ^{[ 2 ]} Da die Sonne im Laufe des Tages wandert, benötigen Konzentratorkollektoren häufig ein System zur Nachführung der Sonnenenergie und werden daher auch als „aktive“ Kollektoren bezeichnet.

Nichtkonzentrierende Kollektoren werden typischerweise in Wohn-, Industrie- und Gewerbegebäuden zur Raumheizung eingesetzt , während konzentrierende Kollektoren in konzentrierten Solarkraftwerken Strom erzeugen, indem sie ein Wärmeträgerfluid erhitzen, um eine mit einem Generator verbundene Turbine anzutreiben . ^{[ 3 ]}

Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren werden hauptsächlich zur Wärmegewinnung für Raumheizung, Warmwasserbereitung oder Kühlung mit einer Absorptionskältemaschine eingesetzt . Im Gegensatz zu Solarkollektoren für Warmwasser nutzen sie ein zirkulierendes Fluid, um Wärme an einen separaten Speicher abzugeben. Der erste für Gebäudedächer konzipierte Solarthermiekollektor wurde von William H. Goettl patentiert und als „ Solarwärmekollektor und -radiator für Gebäudedächer “ bezeichnet. ^{[ 4 ]}

Vakuumkollektoren sind eine neuere Entwicklung und eignen sich für die solare Wärmeerzeugung zur industriellen Kühlung (SHIC) und die solare Klimatisierung (SAC), wo Temperaturen über 100 °C erforderlich sind. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Diese nichtkonzentrierenden Kollektoren nutzen sowohl diffuses als auch direktes Licht und können anstelle von Wasser auch Wasserdampf als Kühlmedium verwenden .

Flachkollektoren sind die in Europa am weitesten verbreitete Solarthermie-Technologie . ^{[ 7 ]} Sie bestehen aus (1) einem Gehäuse mit (2) einer dunklen Absorberplatte mit Zirkulationskanälen für die Wärmeträgerflüssigkeit und (3) einer transparenten Abdeckung, die den Eintritt der Sonnenenergie in das Gehäuse ermöglicht. Die Seiten und die Rückseite des Gehäuses sind in der Regel isoliert, um Wärmeverluste an die Umgebung zu minimieren. Eine Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert durch die Kanäle der Absorberplatte, um dem Solarkollektor Wärme zu entziehen. In tropischen und subtropischen Klimazonen wird üblicherweise Wasser als Zirkulationsflüssigkeit verwendet. In Regionen mit Frostgefahr kann anstelle von Wasser oder in einem Wassergemisch eine Wärmeträgerflüssigkeit, ähnlich einem Frostschutzmittel für Kraftfahrzeuge , eingesetzt werden. Wird eine Wärmeträgerflüssigkeit verwendet, kommt üblicherweise ein Wärmetauscher zum Einsatz, um die Wärme von der Kollektorflüssigkeit an einen Warmwasserspeicher abzugeben. Die gängigste Absorberkonstruktion besteht aus Kupferrohren, die mit einem hochleitfähigen Metallblech (Kupfer oder Aluminium) verbunden sind. Die sonnenzugewandte Seite der Absorberanordnung ist dunkel beschichtet, um die Absorption der Sonnenenergie zu erhöhen. Eine gängige Absorberbeschichtung ist schwarzer Emaillelack.

Bei hocheffizienten Solarkollektoren besteht die transparente Abdeckung aus gehärtetem Kalk-Natron-Glas mit reduziertem Eisenoxidgehalt, wie es auch bei Photovoltaik-Solarmodulen verwendet wird . Das Glas kann zudem eine Stippling- Struktur und ein oder zwei Antireflexionsbeschichtungen aufweisen, um die Transparenz weiter zu verbessern . Die Absorberbeschichtung ist typischerweise eine selektive Beschichtung. Selektivität bedeutet hier, dass die Beschichtung eine hohe Absorption im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums mit einer geringen Emission im Infrarotbereich kombiniert . Dadurch entsteht eine selektive Oberfläche , die die Schwarzkörperstrahlung des Absorbers reduziert und somit die Leistung verbessert. Die Rohrleitungen können per Laser- oder Ultraschallschweißen mit der Absorberfolie verbunden werden, um Beschädigungen der selektiven Beschichtung zu vermeiden. Diese wird üblicherweise vor dem Verbinden der Absorberbahnen mit großen Spulen im Rolle-zu-Rolle-Verfahren aufgebracht .

Zu den Konfigurationen der Absorberrohrleitungen gehören :

• Harfenform : traditionelle Bauart mit unteren Steigrohren und oberem Sammelrohr, verwendet in Niederdruck- Thermosiphon- und Pumpensystemen;
• Serpentinenrohr : ein durchgehendes S-förmiges Rohr, das die Temperatur maximiert , aber nicht den Gesamtenergieertrag in Systemen mit variablem Durchfluss; verwendet in kompakten Solaranlagen nur zur Warmwasserbereitung (keine Raumheizungsfunktion);
• geflutet: bestehend aus zwei Metallblechen, die so geformt sind , dass eine breite Zirkulationszone entsteht, die den Wärmeaustausch verbessert ;
• Grenzschicht : Sie besteht aus mehreren Lagen transparenter und opaker Folien, die die Absorption in einer Grenzschicht ermöglichen. Da die Energie in der Grenzschicht absorbiert wird, kann die Wärmeumwandlung effizienter sein als bei Kollektoren, bei denen die absorbierte Wärme durch ein Material geleitet wird, bevor sie sich in der zirkulierenden Flüssigkeit ansammelt.

Ein Flachkollektor mit Wabenstruktur zur Reduzierung von Wärmeverlusten, auch auf der Glasseite, ist ebenfalls im Handel erhältlich. Die meisten Flachkollektoren haben eine Lebensdauer von über 25 Jahren.

Vakuumröhrenkollektoren sind die weltweit am häufigsten eingesetzte Solarthermie-Technologie. ^{[ 7 ]} Sie nutzen ein Glasrohr , das den Absorber mit einem Hochvakuum umschließt und so dem atmosphärischen Druck effektiv widersteht . Das Vakuum um den Absorber reduziert Wärmeverluste durch Konvektion und Wärmeleitung erheblich und ermöglicht dadurch eine höhere Energieumwandlungseffizienz . Der Absorber kann entweder metallisch sein, wie bei Flachkollektoren, oder aus einem zweiten konzentrischen Glasrohr bestehen (Sydney-Röhre). Die Wärmeträgerflüssigkeit kann in jedes Rohr ein- und ausströmen oder mit einem Wärmerohr in Kontakt stehen , das in das Rohr hineinreicht. Im letzteren Fall übertragen Wärmerohre die Wärme an die Flüssigkeit in einem Wärmetauscher, dem sogenannten Verteiler, der quer zu den Rohren angeordnet ist. Der Verteiler ist mit Glaswolle isoliert und von einem schützenden Metall- oder Kunststoffgehäuse umgeben, das gleichzeitig zur Befestigung an den Trägern dient.

Glas-Metall-Vakuumröhren bestehen aus flachen oder gebogenen Metallabsorberplatten, ähnlich denen von Flachplatten. Diese Platten werden mit Rohren oder Wärmerohren zu Lamellen verbunden und in ein einzelnes Borosilikatglasrohr eingesetzt . Zur Verbesserung der Transparenz kann eine Antireflexionsbeschichtung auf die Innen- und Außenflächen solcher Rohre aufgebracht werden. Sowohl die selektive als auch die Antireflexionsbeschichtung (Innenseite des Rohrs) bleiben bis zum Vakuumverlust intakt. ^{[ 8 ]} An einer oder beiden Seiten jeder Vakuumröhre ist jedoch eine hochvakuumdichte Glas-Metall-Versiegelung erforderlich. Diese Versiegelung ist während des täglichen Betriebs des Kollektors den Temperaturschwankungen zwischen Umgebungs- und Flüssigkeitstemperatur ausgesetzt und kann daher mit der Zeit ausfallen.

Vakuumröhren aus Glas bestehen aus zwei Borosilikatglasröhren, die an einem oder beiden Enden miteinander verschmolzen sind (ähnlich einer Vakuumflasche oder einem Dewargefäß). Die Absorberlamelle befindet sich im Inneren der inneren Röhre unter Atmosphärendruck. Glasröhren aus Glas sind sehr dicht, jedoch reduziert die doppelte Glasschicht die Menge an Sonnenlicht, die den Absorber erreicht. Um dies zu vermeiden, kann eine selektive Beschichtung auf die innere Borosilikatglasröhre (Hochvakuumseite) aufgebracht werden. In diesem Fall muss die Wärme jedoch durch die schlecht leitende Glasschicht der inneren Röhre fließen. Außerdem kann Feuchtigkeit in den nicht evakuierten Bereich innerhalb der inneren Röhre eindringen und insbesondere bei Absorbern aus unterschiedlichen Materialien ( galvanische Korrosion ) zu Korrosion führen.

Eine Barium-Blitzgetterpumpe wird üblicherweise im Hochvakuumspalt zwischen den Röhren verdampft, um den Innendruck über die Zeit stabil zu halten.

Die hohen Temperaturen im Inneren von Vakuumröhrenkollektoren erfordern unter Umständen eine spezielle Konstruktion, um Thermoschocks und Überhitzung zu vermeiden . Einige Vakuumröhrenkollektoren fungieren aufgrund ihrer Wärmerohre als thermisches Einwegventil. Dies führt zu einer inhärenten maximalen Betriebstemperatur , die als Sicherheitsmerkmal dient. ^{[ 9 ]} Vakuumröhrenkollektoren können zudem mit niedrigkonzentrierenden Reflektoren an der Rückseite der Röhren ausgestattet werden, wodurch ein Compound Parabolic Concentrator (CPC)-Kollektor entsteht. ^{[ 10 ]}

Zwischen den Befürwortern dieser beiden Technologien besteht seit Langem eine Auseinandersetzung. Diese lässt sich teilweise auf die Struktur von Vakuumröhrenkollektoren zurückführen, deren Absorptionsbereich nicht kontinuierlich ist. Bei einer Anordnung von Vakuumröhrenkollektoren auf einem Dach befinden sich Zwischenräume zwischen den einzelnen Röhren sowie ein Vakuumspalt zwischen jeder Röhre und dem darin befindlichen Absorber. Dadurch wird nur ein Bruchteil der Installationsfläche auf dem Dach abgedeckt. Vergleicht man Vakuumröhrenkollektoren mit Flachkollektoren anhand der belegten Dachfläche (Bruttofläche), könnte man zu einem anderen Ergebnis gelangen, als wenn man die Absorber- oder Aperturflächen vergleicht. Die kürzlich überarbeitete Norm ISO 9806 ^{[ 11 ]} legt fest, dass der Wirkungsgrad von Solarthermiekollektoren anhand der Bruttofläche gemessen werden soll. Dies könnte im direkten Vergleich Flachkollektoren gegenüber Vakuumröhrenkollektoren einen Vorteil verschaffen.

Flachkollektoren geben in der Regel mehr Wärme an die Umgebung ab als Vakuumröhrenkollektoren, da die Glasseite nicht isoliert ist. Vakuumröhrenkollektoren weisen prinzipiell ein geringeres Verhältnis von Absorberfläche zu Bruttofläche auf (typischerweise 60–80 % weniger) als Flachkollektoren, da die Röhren mit Abstand zueinander angeordnet werden müssen. Obwohl mehrere europäische Unternehmen Vakuumröhrenkollektoren (hauptsächlich Glas-Metall-Kollektoren) herstellen, wird der Markt für Vakuumröhrenkollektoren von Herstellern in China dominiert, von denen einige auf eine 15–30-jährige oder längere Erfolgsgeschichte zurückblicken können. Es gibt keine eindeutigen Beweise dafür, dass sich die beiden Bauarten hinsichtlich ihrer Langzeitstabilität unterscheiden. Die Vakuumröhrentechnologie (insbesondere neuere Varianten mit Glas-Metall-Dichtungen und Wärmerohren) muss jedoch noch ihre Wettbewerbsfähigkeit in Bezug auf Lebensdauer unter Beweis stellen. Die Modularität von Vakuumröhren kann hinsichtlich Erweiterbarkeit und Wartung von Vorteil sein. Beispielsweise kann ein Wärmerohr, dessen Vakuum verloren geht, mit minimalem Aufwand ausgetauscht werden.

In den meisten Klimazonen sind Flachkollektoren in der Regel kostengünstiger als Vakuumröhrenkollektoren. ^{[ 14 ]} Vakuumröhrenkollektoren eignen sich jedoch besonders für kalte Umgebungstemperaturen und arbeiten auch bei geringer Sonneneinstrahlung effizient, da sie das ganze Jahr über eine gleichmäßigere Wärmeversorgung gewährleisten. Unglasierte Flachkollektoren sind die bevorzugte Wahl zur Beheizung von Schwimmbadwasser. Sie können auch in tropischen oder subtropischen Gebieten eingesetzt werden, wenn das Brauchwasser um weniger als 20 °C über die Umgebungstemperatur erwärmt werden soll. Vakuumröhrenkollektoren weisen einen geringeren Luftwiderstand auf, was die Installation auf Dächern an windigen Standorten vereinfachen kann. Durch die Zwischenräume zwischen den Röhren kann Schnee durch den Kollektor fallen und so den Produktionsverlust bei Schneefall minimieren. Allerdings kann die geringe Wärmeabstrahlung der Röhren auch das effektive Abrutschen von Schnee verhindern. Flachkollektoren sind möglicherweise leichter zu reinigen. Andere Eigenschaften wie Aussehen und Installationsaufwand sind eher subjektiv und schwer vergleichbar.

Vakuumkollektoren vereinen die Vorteile von Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren. Sie umschließen einen großflächigen Metallabsorber mit Hochvakuum innerhalb eines flachen Gehäuses aus Glas und Metall. Sie bieten den höchsten Wirkungsgrad aller nicht-konzentrierenden Solarthermiekollektoren ^{[ 15 ]} , erfordern jedoch eine anspruchsvolle Fertigungstechnologie. Sie sind nicht mit Flachkollektoren mit niedrigem Innenvakuum zu verwechseln. Der erste Kollektor mit Hochvakuumisolierung wurde am CERN entwickelt ^{[ 16 ]} , während TVP SOLAR SA aus der Schweiz 2012 als erstes Unternehmen Solar Keymark-zertifizierte Kollektoren kommerzialisierte ^{[ 17 ].}

Vakuumkollektoren für Flachkollektoren benötigen sowohl eine Glas-Metall-Verbindung zur Verbindung der Glasplatte mit dem restlichen Metallgehäuse als auch eine interne Struktur, die die Platte gegen den atmosphärischen Druck abstützt. Der Absorber muss segmentiert oder mit geeigneten Öffnungen versehen sein, um diese Struktur aufzunehmen. Die Verbindung aller Teile muss hochvakuumdicht sein, und es dürfen nur Materialien mit niedrigem Dampfdruck verwendet werden, um Ausgasungen zu verhindern . Die Glas-Metall-Verbindungstechnologie kann entweder auf metallisiertem Glas ^{[ 18 ]} oder verglastem Metall ^{[ 19 ]} basieren und bestimmt den Kollektortyp. Im Gegensatz zu Vakuumröhrenkollektoren verwenden sie nicht-verdampfende Getterpumpen (NEG-Pumpen), um den Innendruck über die Zeit stabil zu halten. Diese Getterpumpentechnologie bietet den Vorteil einer gewissen In-situ-Regeneration durch Sonneneinstrahlung. Vakuumkollektoren für Flachkollektoren wurden für die solare Klimatisierung untersucht und mit kompakten Solarkonzentratoren verglichen. ^{[ 20 ]}

Diese Kollektoren stellen eine Alternative zu Metallkollektoren dar. Sie können vollständig aus Polymer bestehen oder Metallplatten vor frostbeständigen Wasserkanälen aus Silikonkautschuk aufweisen . Polymere sind flexibel und daher frostbeständig und können mit normalem Wasser anstelle von Frostschutzmittel betrieben werden. Dadurch lassen sie sich direkt an bestehende Wassertanks anschließen, ohne dass Wärmetauscher benötigt werden, die die Effizienz mindern. Durch den Verzicht auf einen Wärmetauscher müssen die Temperaturen für die Aktivierung des Zirkulationssystems nicht so hoch sein. Solche Direktzirkulationspaneele, ob aus Polymer oder einem anderen Material, können daher effizienter sein, insbesondere bei geringer Sonneneinstrahlung . Einige frühe selektiv beschichtete Polymerkollektoren litten bei der Isolierung unter Überhitzung, da die Stagnationstemperaturen den Schmelzpunkt des Polymers überschreiten können. ^{[ 21 ] [ 22 ]} Beispielsweise liegt der Schmelzpunkt von Polypropylen bei 160 °C (320 °F), während die Stagnationstemperatur isolierter Wärmekollektoren 180 °C (356 °F) überschreiten kann, wenn keine Regelungsstrategien eingesetzt werden. Aus diesem Grund wird Polypropylen in verglasten, selektiv beschichteten Solarkollektoren selten verwendet. Stattdessen kommen zunehmend Polymere wie Hochtemperatursilikone (mit einem Schmelzpunkt über 250 °C) zum Einsatz. Einige verglaste Solarkollektoren auf Basis anderer Polymere als Polypropylen sind mattschwarz beschichtet anstatt selektiv beschichtet, um die Stagnationstemperatur auf 150 °C oder weniger zu senken.

In Gebieten mit Frostgefahr lässt sich Frostbeständigkeit (die Fähigkeit, wiederholtes Einfrieren ohne Rissbildung zu überstehen) durch den Einsatz flexibler Polymere erreichen. Silikonkautschukrohre werden in Großbritannien seit 1999 zu diesem Zweck verwendet. Herkömmliche Metallkollektoren sind frostempfindlich. Daher müssen sie, wenn sie mit Wasser gefüllt sind, sorgfältig verrohrt werden, sodass sie vor dem zu erwartenden Einfrieren vollständig durch Schwerkraft entleert werden können, um Risse zu vermeiden. Viele Metallkollektoren werden als Teil eines geschlossenen Wärmetauschersystems installiert. Anstatt Trinkwasser direkt durch die Kollektoren fließen zu lassen, wird ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel wie Propylenglykol verwendet. Eine Wärmeträgerflüssigkeit schützt vor Frostschäden bis zu einer lokal festgelegten Risikotemperatur, die vom Propylenglykolanteil im Gemisch abhängt. Die Verwendung von Glykol verringert die Wärmekapazität des Wassers geringfügig, während ein zusätzlicher Wärmetauscher die Systemleistung bei schwachem Licht beeinträchtigen kann.

Ein unglasierter Kollektor ist eine einfache Form eines Flachkollektors ohne transparente Abdeckung. Typischerweise wird Polypropylen, EPDM-Kautschuk oder Silikonkautschuk als Absorber verwendet. Er wird zur Poolheizung eingesetzt und funktioniert sehr gut, solange die gewünschte Auslauftemperatur nahe der Umgebungstemperatur liegt (also bei warmem Außenwetter). Mit sinkender Umgebungstemperatur nimmt die Effizienz dieser Kollektoren ab.

Eine Solarschale ist ein Solarthermiekollektor, der ähnlich wie ein Parabolspiegel funktioniert . Anstelle eines nachgeführten Parabolspiegels mit festem Receiver verwendet er jedoch einen feststehenden sphärischen Spiegel mit einem nachgeführten Receiver. Dies reduziert zwar den Wirkungsgrad, senkt aber die Bau- und Betriebskosten. Entwickler bezeichnen ihn als Solarkraftwerk mit feststehendem Spiegel und verteiltem Fokus . Hauptgrund für seine Entwicklung war die Vermeidung der Kosten für die Nachführung eines großen Spiegels zur Sonne, wie sie bei Parabolspiegelsystemen anfallen. ^{[ 23 ]}

Ein feststehender Parabolspiegel erzeugt ein sich veränderndes Bild der Sonne, während diese über den Himmel wandert. Nur wenn der Spiegel direkt auf die Sonne gerichtet ist, wird das Licht in einem Punkt gebündelt. Deshalb folgen Parabolspiegel der Sonne. Ein feststehender Kugelspiegel bündelt das Licht unabhängig von der Sonnenposition an einem einzigen Punkt. Das Licht wird jedoch nicht auf einen Punkt konzentriert, sondern entlang einer Linie von der Spiegeloberfläche bis zum halben Radius (entlang einer Linie durch den Kugelmittelpunkt und die Sonne) verteilt.

Mit dem Lauf der Sonne verändert sich die Apertur eines fest installierten Kollektors. Dies führt zu Schwankungen in der Menge des eingefangenen Sonnenlichts und erzeugt den sogenannten Sinuseffekt der Leistungsabgabe. Befürworter der Solarschalenkonstruktion argumentieren, dass die im Vergleich zu nachgeführten Parabolspiegeln geringere Gesamtleistung durch niedrigere Systemkosten kompensiert wird. ^{[ 23 ]}

Das auf die Brennlinie eines sphärischen Reflektors fokussierte Sonnenlicht wird mithilfe eines Nachführempfängers aufgefangen. Dieser Empfänger ist um die Brennlinie schwenkbar und üblicherweise ausbalanciert. Er kann aus Leitungen bestehen, die eine Wärmeleitflüssigkeit führen, oder aus Photovoltaikzellen zur direkten Umwandlung von Licht in Elektrizität.

Die Solarschalenkonstruktion entstand im Rahmen eines Projekts des Fachbereichs Elektrotechnik der Texas Technical University unter der Leitung von Edwin O'Hair zur Entwicklung eines 5-MW-Kraftwerks. Für die Stadt Crosbyton in Texas wurde eine Solarschale als Pilotanlage errichtet. ^{[ 23 ]} Die Schale hatte einen Durchmesser von 20 m (65 Fuß) und war um 15° geneigt, um das Kosten-Nutzen-Verhältnis zu optimieren (33° hätten den Ertrag maximiert). Der Rand der Halbkugel wurde auf 60° abgeschrägt, wodurch eine maximale Öffnung von 308,3 m² (3.318 Quadratfuß) entstand ^. Diese Pilotanlage erzeugte Strom mit einer Spitzenleistung von 10 kW.

Die Solarschale von Auroville mit einem Durchmesser von 15 Metern wurde auf Grundlage eines früheren Tests einer 3,5 Meter großen Schale durch das Tata Energy Research Institute in den Jahren 1979–1982 entwickelt . Dieser Test zeigte, dass die Solarschale zur Dampferzeugung zum Kochen genutzt werden kann. Das Großprojekt zum Bau einer Solarschale und einer Küche lief von 1996 bis 2001 und war vollständig in Betrieb.

An Standorten mit durchschnittlicher Sonneneinstrahlung werden Flachkollektoren auf eine Größe von etwa 1,2 bis 2,4 Quadratdezimeter pro Liter Warmwasserverbrauch an einem Tag ausgelegt.

Hauptsächlich wird diese Technologie in Wohngebäuden eingesetzt, wo der Warmwasserbedarf einen großen Einfluss auf die Energiekosten hat. Dies betrifft in der Regel große Familien oder Haushalte mit hohem Warmwasserbedarf, beispielsweise durch häufiges Wäschewaschen. Gewerbliche Anwendungsbereiche sind unter anderem Waschsalons, Autowaschanlagen, Wäschereien des Militärs und Gastronomiebetriebe. Die Technologie kann auch zur Raumheizung genutzt werden, wenn das Gebäude netzunabhängig ist oder häufige Stromausfälle auftreten. Solare Warmwassersysteme lohnen sich besonders für Einrichtungen mit teuren Warmwassersystemen oder für Betriebe wie Wäschereien oder Küchen mit hohem Warmwasserbedarf. Unglasierte Flüssigkeitskollektoren werden häufig zur Erwärmung von Schwimmbeckenwasser eingesetzt, eignen sich aber auch zur großflächigen Wasservorwärmung. Bei hohen Lasten im Verhältnis zur verfügbaren Kollektorfläche kann der Großteil des Warmwassers bei niedrigen Temperaturen – unterhalb der Schwimmbadtemperaturen – erwärmt werden. Hier haben sich unglasierte Kollektoren als optimale Lösung etabliert. Da diese Kollektoren keinen hohen Temperaturen standhalten müssen, können kostengünstigere Materialien wie Kunststoff oder Gummi verwendet werden. Viele unglasierte Kollektoren bestehen aus Polypropylen und müssen vollständig entleert werden, um Frostschäden zu vermeiden, wenn die Lufttemperaturen in klaren Nächten unter 7 °C (44 °F) fallen. ^{[ 24 ]}Ein kleiner, aber wachsender Anteil unglasierter Kollektoren ist flexibel, d. h., sie können das Einfrieren von Wasser im Absorber aushalten. Bei starkem Frost müssen lediglich die wassergefüllten Leitungen und Kollektorverteiler gefährdet sein. Unglasierte Solarwarmwasseranlagen sollten so installiert werden, dass überschüssiges Wasser bei unzureichender Sonneneinstrahlung in einen Speicher zurückfließt. Bei unglasierten Systemen besteht keine Gefahr von Temperaturschocks. Unglasierte Solarkollektoren, die seit den Anfängen der Solarenergie häufig zur Schwimmbadheizung eingesetzt werden, erwärmen das Schwimmbadwasser direkt, ohne dass Frostschutzmittel oder Wärmetauscher benötigt werden. Warmwasser-Solaranlagen benötigen Wärmetauscher aufgrund möglicher Verunreinigungen und – im Falle unglasierter Kollektoren – aufgrund des Druckunterschieds zwischen dem Solarmedium (Wasser) und dem Verbraucher (unter Druck stehendes kaltes Leitungswasser). Große unglasierte Solarwarmwasseranlagen, wie die im Minoru Aquatic Center in Richmond, British Columbia, arbeiten mit niedrigeren Temperaturen als Vakuumröhrenkollektoren oder geschlossene und verglaste Kollektorsysteme. Obwohl sie größere und teurere Wärmetauscher benötigen, senken alle anderen Komponenten, einschließlich belüfteter Speichertanks und unisolierter PVC-Rohrleitungen, die Kosten dieser Alternative im Vergleich zu Hochtemperaturkollektoren drastisch. Beim Erhitzen von Warmwasser wird im Prinzip kaltes Wasser erwärmt und warmes Wasser erhitzt. Mit unglasierten Kollektoren lässt sich kaltes Wasser genauso effizient erwärmen wie warmes Wasser mit Hochtemperaturkollektoren.

Ein einfacher Solarluftkollektor besteht aus einem Absorbermaterial, das mitunter eine selektive Oberfläche aufweist, um Sonnenstrahlung einzufangen und diese Wärmeenergie durch Wärmeleitung an die Luft abzugeben. Die erwärmte Luft wird anschließend über Kanäle in die Gebäuderäume oder Prozessbereiche geleitet , wo sie zur Raum- oder Prozessbeheizung genutzt wird. Ähnlich wie eine herkömmliche Warmluftheizung erzeugen Solarluftkollektoren Wärme, indem sie Luft über eine Energiesammelfläche zirkulieren lassen, die Sonnenenergie absorbieren und die mit dieser Fläche in Kontakt kommende Luft über Kanäle abführen. Einfache und effiziente Kollektoren können für eine Vielzahl von Klimatisierungs- und Prozessanwendungen hergestellt werden.

Viele Anwendungen können Solarluftwärmetechnologien nutzen, um den CO₂-Fußabdruck konventioneller Wärmequellen wie fossiler Brennstoffe zu reduzieren und so eine nachhaltige Wärmeerzeugung zu ermöglichen. Solarluftwärmeanlagen eignen sich beispielsweise für Raumheizung, die Verlängerung der Gewächshaussaison , die Vorwärmung von Zuluft oder Prozesswärme. Im Bereich der solaren Kraft -Wärme-Kopplung werden Solarthermieanlagen mit Photovoltaik (PV) kombiniert. Die Effizienz des Systems wird gesteigert, indem den PV-Kollektoren Wärme entzogen wird. Dadurch werden die PV-Module gekühlt, was ihre elektrische Leistung verbessert, während gleichzeitig die Raumluft erwärmt wird.

Die Raumheizung für Wohn- und Gewerbegebäude kann mithilfe von Solarluftheizpaneelen erfolgen. Diese Systeme saugen Luft aus der Gebäudehülle oder der Außenluft an und leiten sie durch den Kollektor. Dort erwärmt sich die Luft durch Wärmeleitung vom Absorber und wird anschließend entweder passiv oder mithilfe eines Ventilators in die Wohn- oder Arbeitsräume geleitet. Ein Pionier dieser Systeme war George Löf, der 1945 in Boulder, Colorado, eine Solarluftheizungsanlage für ein Haus baute. Später integrierte er ein Kiesbett zur Wärmespeicherung.

In den meisten Gewerbe-, Industrie- und öffentlichen Gebäuden ist eine Belüftung mit Frischluftzufuhr oder Zuluft erforderlich, um die Bauvorschriften zu erfüllen. Durch die Nutzung eines geeignet dimensionierten, unverglasten Transpirationsluftkollektors oder eines Lufterhitzers kann die solar erwärmte Frischluft den Heizbedarf tagsüber reduzieren. Viele Anlagen nutzen mittlerweile die Vorwärmung der Frischluft durch den Transpirationsluftkollektor, um die Abtauzeit der Wärmerückgewinnungsanlage zu verkürzen. Je höher die Belüftung und die Temperatur, desto schneller amortisiert sich die Investition.

Solare Lufterwärmung wird auch in Prozessanwendungen wie dem Trocknen von Wäsche, Ernteprodukten ( z. B. Tee, Mais, Kaffee) und anderen Trocknungsprozessen eingesetzt. Die durch einen Solarkollektor erwärmte und anschließend über das zu trocknende Medium geleitete Luft ist eine effiziente Methode, um den Feuchtigkeitsgehalt des Materials zu reduzieren.

Hochtemperatur-Prozesswärme kann mit einem Solarofen erzeugt werden .

Kollektoren werden üblicherweise anhand ihrer Luftkanalsysteme in drei Typen eingeteilt:

• Durchlaufsammler
• Frontpass
• Rückpass
• Kombinierte vordere und hintere Lufteinlässe

Kollektoren können auch nach ihrer äußeren Oberfläche klassifiziert werden:

• glasiert
• unglasiert

Die Durchflusskonfiguration bietet die höchste Effizienz aller Solartechnologien. Dabei wird Luft auf eine Seite des Absorbers geleitet, durchströmt ein perforiertes Material und erwärmt sich durch die Wärmeleitfähigkeit des Materials sowie die Konvektion der strömenden Luft. Durchflussabsorber weisen die größte Oberfläche auf, was relativ hohe Wärmeübertragungsraten ermöglicht. Allerdings kann ein signifikanter Druckabfall einen höheren Lüfterleistungsbedarf erfordern, und die Alterung bestimmter Absorbermaterialien nach jahrelanger Sonneneinstrahlung kann zusätzlich Probleme mit der Luftqualität und der Leistung verursachen.

Bei Rück-, Vor- und Kombinationskonfigurationen wird die Luft entweder an der Rückseite, der Vorderseite oder an beiden Seiten des Absorbers vorbeigeführt, um vom Rückluftkanal zu den Zuluftkanälen erwärmt zu werden. Obwohl die beidseitige Luftführung eine größere Oberfläche für die Wärmeleitung bietet, kann es bei der Luftführung an der Vorderseite des Absorbers zu Staubablagerungen (Verschmutzungen) kommen, da dies die Absorbereffizienz durch die reduzierte Sonneneinstrahlung verringert. In kalten Klimazonen führt die Luftführung entlang der Verglasung zusätzlich zu höheren Wärmeverlusten und damit zu einer geringeren Gesamtleistung des Kollektors.

Verglaste Systeme verfügen üblicherweise über eine transparente Deckschicht und isolierte Seiten- und Rückwände, um Wärmeverluste an die Umgebungsluft zu minimieren. Die Absorberplatten moderner Paneele erreichen Absorptionsgrade von über 93 %. Verglaste Solarkollektoren (Umluftkollektoren, die üblicherweise zur Raumheizung eingesetzt werden) nutzen die Luft, die typischerweise an der Vorder- oder Rückseite der Absorberplatte entlangströmt und dabei direkt Wärme aufnimmt. Die erwärmte Luft kann anschließend direkt für Anwendungen wie Raumheizung und Trocknung genutzt oder für späteren Gebrauch gespeichert werden. Die Amortisationszeit für verglaste Solarluftkollektoren kann je nach ersetztem Brennstoff unter 9–15 Jahren liegen.

Unverglaste Systeme, auch Transpirationsluftsysteme genannt, werden zur Erwärmung von Zuluft oder Lüftungsluft in Gewerbe, Industrie, Landwirtschaft und Verfahrenstechnik eingesetzt. Sie bestehen aus einer Absorberplatte, über die oder durch die Luft strömt und dabei Wärme aufnimmt. Nicht-transparente Verglasungsmaterialien sind kostengünstiger und verkürzen die Amortisationszeit. Transpirationskollektoren gelten als „unverglast“, da ihre Kollektoroberflächen den Witterungseinflüssen ausgesetzt, oft nicht transparent und nicht hermetisch abgedichtet sind.

Der Begriff „unverglaster Luftkollektor“ bezeichnet ein Solarluftheizsystem, das aus einem Metallabsorber ohne Glasabdeckung besteht. Der gängigste Typ unverglaster Kollektoren auf dem Markt ist der Transpirationskollektor. Diese Technologie wurde von Regierungsbehörden umfassend überwacht, und Natural Resources Canada entwickelte das Machbarkeitsmodell RETScreen™, um die Energieeinsparungen durch Transpirationskollektoren zu modellieren. Seitdem wurden weltweit mehrere tausend Transpirationskollektorsysteme in verschiedenen Bereichen wie Gewerbe, Industrie, öffentlichen Einrichtungen, Landwirtschaft und Prozessindustrie installiert. Ursprünglich wurde diese Technologie vorwiegend in Industrieanlagen wie Produktions- und Montagewerken eingesetzt, wo hohe Anforderungen an die Belüftung, Schichtwärme an der Decke und häufig Unterdruck im Gebäude herrschten. Angesichts des zunehmenden Bedarfs an erneuerbaren Energiesystemen in Gebäuden werden Transpirationskollektoren heute im gesamten Gebäudebestand eingesetzt. Gründe hierfür sind die hohe Energieproduktion (bis zu 750 Watt thermische Spitzenleistung pro Quadratmeter), der hohe solare Wirkungsgrad (bis zu 90 %) und die geringeren Investitionskosten im Vergleich zu Photovoltaik- und Solarthermieanlagen.

Solare Lufterwärmung ist eine Technologie zur Nutzung erneuerbarer Energien, die zur Erwärmung und Klimatisierung von Luft in Gebäuden oder für industrielle Prozesswärmeanwendungen eingesetzt wird. Sie ist in der Regel die kostengünstigste aller Solartechnologien, insbesondere bei großflächigen Anwendungen, und deckt den größten Anteil des Energieverbrauchs von Gebäuden in warmen Klimazonen ab: die Raumheizung und die industrielle Prozesswärme. Die Anlagen sind entweder verglast oder unverglast.

Unverglaste Luftkollektoren erwärmen die Umgebungsluft (Außenluft) anstatt der umgewälzten Gebäudeluft. Transpirationskollektoren werden üblicherweise an der Wand montiert, um den flacheren Sonnenstand in den Wintermonaten sowie die Sonnenreflexion vom Schnee zu nutzen. Sie erreichen ihre optimale Leistung und Rentabilität bei einem Luftdurchsatz von 4 bis 8 CFM pro Quadratfuß (72 bis 144 m³/h·m²) Kollektorfläche.

Die Außenfläche eines transpirierenden Solarkollektors besteht aus Tausenden winziger Mikroperforationen, die es ermöglichen, die Wärmegrenzschicht einzufangen und gleichmäßig in einen Luftspalt hinter den Außenpaneelen zu leiten. Diese erwärmte Zuluft wird unter Unterdruck in die Gebäudelüftungsanlage gesaugt und anschließend konventionell oder über ein Solarkanalsystem verteilt.

Heiße Luft kann in eine Klimaanlage gelangen, die an einen transpirierten Kollektor mit obenliegenden Luftauslässen angeschlossen ist, insbesondere wenn der Kollektor nach Westen ausgerichtet ist. Um diesem Problem entgegenzuwirken, hat Matrix Energy einen transpirierten Kollektor mit tieferliegendem Luftauslass und perforierter Hohlraumkonstruktion patentiert. Diese Konstruktion erzeugt erhöhte Luftturbulenzen hinter dem perforierten Absorber und steigert so die Leistung.

Diese Schnittzeichnung zeigt die durchströmten Solarkollektorkomponenten der SolarWall sowie den Luftstrom. Der untere Lufteinlass reduziert die Zufuhr erwärmter Luft in die Klimaanlage während des Sommerbetriebs.

Die umfangreichen Untersuchungen von Natural Resources Canada und NREL haben gezeigt, dass transpirierende Solarkollektorsysteme den konventionellen Heizbedarf um 10 bis 50 % reduzieren und dass RETScreen die Systemleistung präzise vorhersagt. Transpirierende Solarkollektoren fungieren als Regenschutz und fangen zudem Wärmeverluste der Gebäudehülle auf, die im Kollektor-Luftspalt gesammelt und in das Lüftungssystem zurückgeführt werden. Solare Luftheizsysteme sind wartungsfrei und haben eine erwartete Lebensdauer von über 30 Jahren.

Unverglaste Transpirationskollektoren können auch auf dem Dach montiert werden, wenn keine geeignete Südwand vorhanden ist oder aus anderen architektonischen Gründen.

Jedes 3,05 m lange Modul liefert 425 m³/h vorgewärmte Frischluft und ermöglicht so eine jährliche Energieeinsparung von 1100 kWh (4 GJ). Dieser einzigartige zweistufige, modulare, dachmontierte Transpirationskollektor arbeitet mit einem Wirkungsgrad von nahezu 90 %. Jedes Modul liefert über 118 l/s vorgewärmte Luft pro zwei Quadratmeter Kollektorfläche. Bis zu sieben Kollektoren können in Reihe geschaltet werden. Die Anzahl der parallel geschalteten Reihen entlang eines zentralen Kanals ist unbegrenzt. Typischerweise werden so 4 m³/h vorgewärmte Luft pro Quadratmeter verfügbarer Dachfläche erzeugt.

Transpirationskollektoren können so konfiguriert werden, dass sie die Luft zweimal erwärmen und dadurch die abgegebene Lufttemperatur erhöhen. Dies macht sie sowohl für die Raumheizung als auch für die Vorwärmung von Lüftungsluft geeignet. In einem zweistufigen System besteht die erste Stufe aus einem typischen unverglasten Transpirationskollektor, während die zweite Stufe mit einer Verglasung versehen ist. Durch die Verglasung wird die gesamte erwärmte Luft der ersten Stufe durch einen zweiten Satz Transpirationskollektoren geleitet, um dort eine zweite Stufe der solaren Erwärmung durchzuführen.

Die in diesem Abschnitt beschriebenen Parabolrinnen , -schüsseln und -türme werden fast ausschließlich in Solarkraftwerken oder zu Forschungszwecken eingesetzt. Parabolrinnen werden auch in einigen kommerziellen Solarklimaanlagen verwendet . Obwohl sie einfach aufgebaut sind, erreichen diese Solarkonzentratoren nicht die theoretisch maximale Konzentration. ^{[ 25 ] [ 26 ]} Beispielsweise beträgt die Konzentration einer Parabolrinne nur etwa ein Drittel des theoretischen Maximums bei gleichem Akzeptanzwinkel , d. h. bei gleichen Systemtoleranzen. Eine Annäherung an das theoretische Maximum kann durch den Einsatz komplexerer Konzentratoren auf Basis nichtabbildender Optiken erreicht werden . ^{[ 25 ]} Solarthermische Kollektoren können auch in Kombination mit Photovoltaikkollektoren zur Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt werden. ^{[ 27 ] [ 28 ]}

Dieser Kollektortyp wird üblicherweise in Solarkraftwerken eingesetzt . Ein rinnenförmiger Parabolreflektor dient dazu, das Sonnenlicht auf ein isoliertes Rohr ( Dewar-Rohr ) oder ein Wärmerohr zu konzentrieren , das sich im Brennpunkt befindet und ein Kühlmittel enthält , welches die Wärme von den Kollektoren zu den Kesseln im Kraftwerk transportiert . ^{[ 29 ]}

Bei einem Parabolrinnenkollektor bündeln ein oder mehrere Parabolspiegel die Sonnenenergie in einem einzigen Brennpunkt, ähnlich wie ein Spiegelteleskop Sternenlicht oder eine Parabolantenne Radiowellen fokussiert. Diese Geometrie findet Anwendung in Solarkraftwerken und Solaranlagen.

Die Parabelform bewirkt, dass einfallende Lichtstrahlen, die parallel zur Achse des Parabolspiegels verlaufen, unabhängig von ihrem Auftreffpunkt auf dem Spiegel zum Brennpunkt reflektiert werden. Das Sonnenlicht trifft nahezu parallel auf die Erdoberfläche, und der Parabolspiegel ist so ausgerichtet, dass seine Achse auf die Sonne zeigt. Dadurch wird fast die gesamte einfallende Strahlung zum Brennpunkt des Spiegels reflektiert. Die meisten Verluste in solchen Kollektoren entstehen durch Unvollkommenheiten der Parabelform und unvollkommene Reflexion.

Verluste durch atmosphärische Streuung sind im Allgemeinen minimal. An trüben oder nebligen Tagen wird das Licht jedoch in alle Richtungen durch die Atmosphäre gestreut, was die Effizienz eines Parabolspiegels deutlich reduziert. Bei Stirlingmotoren , die mit einem Dynamo gekoppelt sind, befindet sich im Brennpunkt des Spiegels ein Stirlingmotor . Dieser absorbiert die auf ihn fokussierte Energie und wandelt sie in Elektrizität um.

Ein Solarturm ist ein großer Turm, der von Heliostaten, sogenannten Nachführspiegeln, umgeben ist . Diese Spiegel richten sich aus und bündeln das Sonnenlicht auf den Receiver an der Turmspitze. Die so gewonnene Wärme wird an ein darunterliegendes Kraftwerk übertragen. Mit dieser Konstruktion werden sehr hohe Temperaturen erreicht. Diese hohen Temperaturen eignen sich für die Stromerzeugung mit konventionellen Methoden wie Dampfturbinen oder direkten Hochtemperaturreaktionen, beispielsweise mit flüssigen Salzen. ^{[ 30 ]} Durch die Konzentration des Sonnenlichts erzielen moderne Systeme einen höheren Wirkungsgrad als einfache Solarzellen. Mit den relativ kostengünstigen Spiegeln lässt sich eine größere Fläche abdecken als mit teuren Solarzellen . Das konzentrierte Licht kann über Glasfaserkabel zu einem geeigneten Ort geleitet werden, beispielsweise zur Beleuchtung von Gebäuden. Die Wärmespeicherung für die Stromerzeugung bei Bewölkung und über Nacht erfolgt häufig durch unterirdische Speicher mit erhitzten Flüssigkeiten. Geschmolzene Salze haben sich dabei bewährt. Aufgrund ihrer besseren thermischen Eigenschaften wurden auch andere Arbeitsmedien, wie beispielsweise flüssige Metalle, vorgeschlagen. ^{[ 31 ]}

Konzentrierende Solarsysteme benötigen jedoch eine Nachführung der Sonne , um das Sonnenlicht auf den Kollektor zu fokussieren. Bei diffusem Licht liefern sie keine nennenswerte Leistung . Solarzellen erzeugen zwar auch bei Bewölkung noch einen gewissen Ertrag, doch die Leistung konzentrierender Solarsysteme sinkt bei Bewölkung drastisch, da diffuses Licht nicht ausreichend gebündelt werden kann.

Ein Solarthermiekollektor fungiert als Wärmetauscher, der Sonnenstrahlung in Wärmeenergie umwandelt. ^{[ 32 ]} Er unterscheidet sich in mehreren Aspekten von einem herkömmlichen Wärmetauscher. Der auf die Erdoberfläche einfallende solare Energiefluss (Bestrahlungsstärke) weist eine variable und relativ geringe Flächendichte auf, die ohne Konzentrationssysteme üblicherweise 1100 W/m² nicht überschreitet ^. Darüber hinaus liegt die Wellenlänge der einfallenden Sonnenstrahlung zwischen 0,3 und 3 μm und ist damit deutlich kürzer als die Wellenlänge der von den meisten strahlenden Oberflächen emittierten Strahlung. ^{[ 32 ]}

Der Kollektor absorbiert die einfallende Sonnenstrahlung und wandelt sie in Wärmeenergie um. Diese Wärmeenergie wird dann an ein im Kollektor zirkulierendes Wärmeträgerfluid abgegeben. ^{[ 33 ]} Als Wärmeträgerfluid kann Luft, Wasser, Öl oder ein Gemisch mit Glykol (einem Frostschutzmittel) verwendet werden, insbesondere in Zwangsumlaufsystemen. ^{[ 33 ]} Konzentrationssysteme können Phasenwechselmaterialien wie geschmolzene Salze nutzen. ^{[ 34 ]} Die Wärmeenergie des Wärmeträgerfluids kann dann direkt genutzt oder für späteren Gebrauch gespeichert werden. ^{[ 35 ]} Die Wärmeübertragung erfolgt durch Konvektion, die je nach System natürlich oder erzwungen sein kann. ^{[ 36 ] [ 37 ]} Der Einsatz künstlicher Turbulenzförderer in Solarluft- und Solarwassererhitzern wurde untersucht, um deren thermischen Wirkungsgrad zu erhöhen. ^{[ 38 ] [ 39 ]}

• ISO-Prüfmethoden für Solarkollektoren. ^{[ 40 ]}
• EN 12975 : Thermische Solaranlagen und Komponenten. Solarkollektoren.
• EN 12976 : Thermische Solaranlagen und Komponenten. Werkseitig gefertigte Systeme.
• EN 12977 : Thermische Solaranlagen und Komponenten. Kundenspezifische Systeme.
• Solar Keymark: ^{[ 41 ]} Thermische Solarsysteme und -komponenten. Höhere Zertifizierungsstufe gemäß EN 1297X, die Werksbesuche beinhaltet.
• International Code Council / Solar Rating & Certification Corporation: ^{[ 42 ]} Die Prüfung wird von unabhängigen Laboratorien durchgeführt und umfasst typischerweise die Auswahl eines zu prüfenden Kollektors aus einer Stichprobe von mindestens sechs Solarkollektoren.
• ICC 901/ICC-SRCC™ 100: Standard für Solarthermiekollektoren
• ICC 900/ICC-SRCC™ 300: Standard für solarthermische Systeme
• ICC 902/APSP 902/ICC-SRCC™ 400: Standard für Solar-Pool- und Spa-Heizsysteme

• Bewertungen von Solarkollektoren durch die kanadische Regierung
• Crosbyton-Archiv
• Machbarkeit von Photovoltaikzellen auf einem Solarkollektor mit festem Spiegel und verteiltem Fokus