4.2. Die Solaranlage

4.2.1. Die Kollektoren und die Dimensionierung

Der Flachkollektor:
Flachkollektoren weisen ein günstiges Preis-Leistungsverhältnis auf. Es stehen verschiedene Montagemöglichkeiten zur Auswahl (Indach, Aufdach, Freiauf-stellung)
Die Absorberfolie des Kollektors ist direkt mit den Rohrleitungen verbunden. Diese Folie nimmt Sonnenstrahlung auf und gibt sie an den Solarkreislauf weiter. Zielsetzung ist ein möglichst hoher Absorptionsgrad und ein möglichst geringer Emissionsgrad. Dies wird erreicht durch selektive Beschichtungen, z.B. Titan-Nitrid-Oxid-Schicht (im Vakuum-Verfahren aufgedampft) erreicht (siehe Tabelle). Als transparente Abdeckung wird eisenarmes Solarsicherheitsglas mit hohem Transmissionsgrad für den kurzwelligen Spektralbereich verwendet. Das Gehäuse ist meist aus Aluminium, verzinktem Stahlblech oder glasfaserverstärktem Kunststoff. Desweiteren verfügt der Kollektor über Wärmedämmung an der Rückseite und Seitenwänden (PU-Schaum, Mineralwolle, u.a.)

Die folgende Tabelle zeigt die Eigenschaften selektiver Schichten auf:

Material

Absorptionsgrad Solarstrahlung

Emissionsgrad Wärmestrahlung

Schwarzchrom

0,90 ... 0,95

0,07 ... 0,10

Schwarznickel

0,90 ... 0,95

0,07 ... 0,10

Al2O3 (Ni)

0,90 ... 0,92

 0,07 ... 0,15

Edelstahl selektiv

0,80 ... 0,90

0,12 ... 0,17

amorpher Kohlenstoff

0,70 ... 0,90

0,02 ... 0,04

TiOxNy

0,75 ... 0,90

0,04 ... 0,07



4.2.2. Bestimmung der notwendigen Kollektorfläche
Einstrahlung in die Kollektorebene
Jan. Feb. Mär. Apr. Mai Jun. Jul. Aug. Sep. Okt. Nov. Dez. Jahr
Globalstrahlung 46,0 63,9 108 124 150 148 165 165 127 89,1 48,1 37,4 1270 kWh/m²
Diffusstrahlung 23,4 32,6 51,0 62,1 72,8 74,8 75,2 68,1 55,6 43,1 24,3 18,9 602 kWh/m²
Kollektorertrag bei fester mittlerer Kollektortemperatur (Tm)
BWE Tm=30°C 18,8 27,8 59,8 70,5 93,4 92,8 110 112 82,4 50,1 21,5 14,9 754 kWh/m²
BWE Tm=40°C 15,1 22,5 51,3 60,5 81,3 80,4 96,7 100 72,7 42,2 17,7 12,0 653 kWh/m²
BWE Tm=50°C 12,2 18,5 43,7 51,4 70,5 69,5 84,8 88,9 63,6 35,3 14,7 9,4 563 kWh/m²
BWE Tm=60°C 9,8 15,1 36,9 43,4 60,6 59,7 73,5 78,0 55,1 29,4 11,9 7,3 481 kWh/m²
BWE Tm=80°C 6,2 9,5 25,0 30,7 44,2 42,2 53,1 58,3 39,9 19,1 7,1 3,8 339 kWh/m²
BWE Tm=100°C 3,4 5,6 15,3 20,2 30,8 27,5 36,2 41,3 26,7 11,2 3,4 1,6 223 kWh/m²


Die folgende Tabelle zeigt die verschiedenen Energieerträge bei verschieden großen Kollektorflächen (10 bis 60 m²)
bei einer angenommenen mittleren Kollektortemperatur von 50°C.
Das Optimum für die geplante Anlage liegt bei ca. 40-50 m² Kollektorfläche. Mit dieser Solarfläche ist es im Mittel möglich
für die Monate März bis Oktober eine vollständige Solarabdeckung (Heizung- und Brauchwasser) zu erreichen.
Eine Erhöhung der Kollektorfläche auf über 50 m² ist wirtschaftlich nicht sinnvoll, da selbst dann die Monate November bis
Februar nicht abgedeckt werden können.


Solare Jahresenergieausbeute der Anlage

Verteilung des Jahresenergiebedarfs
Jan. Feb. Mär. Apr. Mai Jun. Jul. Aug. Sep. Okt. Nov. Dez. Jahr
3500 2900 2500 1800 1000 800 700 800 1000 1500 2500 3500 21500 kWh
Kollektorertrag bei fester mittlerer Kollektortemperatur von Tm=30°C
Jan. Feb. Mär. Apr. Mai Jun. Jul. Aug. Sep. Okt. Nov. Dez. Jahr
Kollektor = 10m² 188 278 598 705 934 928 1100 1120 824 501 215 149 7540 kWh
Kollektor = 20m² 376 556 1196 1410 1868 1856 2200 2240 1648 1002 430 298 15080 kWh
Kollektor = 30m² 564 834 1794 2115 2802 2784 3300 3360 2472 1503 645 447 22620 kWh
Kollektor = 40m² 752 1112 2392 2820 3736 3712 4400 4480 3296 2004 860 596 30160 kWh
Kollektor = 50m² 940 1390 2990 3525 4670 4640 5500 5600 4120 2505 1075 745 37700 kWh
Kollektor = 60m² 1128 1668 3558 4230 5604 5568 6600 6720 4944 3006 1290 894 45240 kWh
Kollektorertrag bei fester mittlerer Kollektortemperatur von Tm=50°C
Jan. Feb. Mär. Apr. Mai Jun. Jul. Aug. Sep. Okt. Nov. Dez. Jahr
Kollektor = 10m² 122 185 437 514 705 695 848 889 636 353 147 94 5626 kWh
Kollektor = 20m² 244 370 874 1028 1410 1390 1696 1778 1272 706 294 188 11252 kWh
Kollektor = 30m² 366 555 1311 1542 2115 2085 2544 2667 1908 1059 441 282 16878 kWh
Kollektor = 40m² 488 740 1748 2056 2820 2780 3392 3556 2544 1412 588 376 22504 kWh
Kollektor = 50m² 610 925 2185 2570 3525 3475 4240 4445 3180 1765 735 470 28130 kWh
Kollektor = 60m² 732 1110 2622 3084 4230 4170 5088 5334 3816 2118 882 564 33756 kWh
Kollektorertrag bei fester mittlerer Kollektortemperatur von Tm=80°C
Jan. Feb. Mär. Apr. Mai Jun. Jul. Aug. Sep. Okt. Nov. Dez. Jahr
Kollektor = 10m² 62 95 250 307 442 422 531 583 399 191 71 38 339 kWh
Kollektor = 20m² 124 190 500 614 884 844 1062 1166 798 382 142 76 678 kWh
Kollektor = 30m² 186 285 750 921 1326 1266 1593 1749 1197 573 213 114 1017 kWh
Kollektor = 40m² 248 380 1000 1228 1768 1688 2124 2332 1596 764 284 152 1356 kWh
Kollektor = 50m² 310 475 1250 1535 2210 2110 2655 2915 1995 955 355 190 1695 kWh
Kollektor = 60m² 372 570 1500 1842 2652 2532 3186 3498 2394 1146 426 228 2034 kWh


4.2.3. Der Solarkreislauf

Transport der Sonnenwärme vom Kollektor zum Speicher. Die Weglängen sollten möglichst kurz, um Wärmeverluste gering zu halten.
Die Dämmung der Rohrleitungen sollte mindenstens 30mm betragen.
Die Durchflussraten sollten bei Solaranlagen 30-50 Liter pro Stunde und m Kollektorfläche betragen.
Die Solarkreis-Umwälzpumpe sollte im kälteren Rücklauf des Solarkreises eingebaut werden (geringere thermische Belastung).

Der Betriebsdruck beträgt ca. 4 bar. Desweiteren werden folgende Komponenten benötigt:
* Sicherheitsventil und Auffangbehälter für Wärmeträgerflüssigkeit.
* Rückschlagventil im Rücklauf zur Verhinderung von Wärmeabzug aus dem Speicher durch Schwerkraftumwälzung.
* Ausdehnungsgefäß für Druckausgleich und Aufnahme der Volumenänderungen der Wärmeträgerflüssigkeit.
* Entlüftungsventil an der höchsten Stelle des Solarkreislaufes.

4.2.4. Die Systemregelung
Die meisten Anlagen arbeiten nach dem Prinzip des Zwangsumlaufs. Das Wärmeträgermedium wird durch eine Pumpe innerhalb eines geschlossenen Kreislaufs bewegt. Die Temperatur-Differenzregelung mit mit zwei Temperaturfühlern am Sonnenkollektor und im Warmwasserspeicher setzt bei einer zu wählenden Temperaturdifferenz die Pumpe in Betrieb. Die Solar-Regelung (Temperatur-Differenzregelung) schaltet bei einer Sonneneinstrahlung von ca.50 bis 100 W/m die Solarkreispumpe ein.

4.2.5 Der Solarwärmetauscher

Die Größe der in der Solaranlage vorgesehenen Wärmetauscher muss auf die Kollektorleistung abgestimmt werden. Ein zu klein ausgelegter Wärmetauscher wäre nicht in der Lage die vom Kollektor kommende Energie zu übertragen. Die Folge wäre ein Temperaturanstieg im Kollektorkreis und damit ein verringerter Kollektorwirkungsgrad. Ein zu groß ausgelegter Wärmetauscher würde die Investionskosten unnötigerweise erhöhen.



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