Sonnenkollektor erzeugt Wärme direkt vom Dach

• Funktion: Ein Sonnenkollektor verwandelt als Herzstück einer Solarthermieanlage Sonnen- in nutzbare Wärmeenergie.
• Installation: In Deutschland sind die meisten Sonnenkollektoren auf Dächern und Freiflächenanlagen installiert. Möglich ist auch die Integration in Fenster sowie an Gebäudewänden.
• Arten: Es gibt unterschiedliche Sonnenkollektor-Arten, die sich in der Funktionsweise sowie im Aufbau gleichen.
• Auswahl: Sie erfolgt anhand von Kriterien wie der Dachflächengröße und den jeweiligen Temperaturverhältnissen. Auch das Budget entscheidet.
• Nutzwert: Wärmeenergie aus Sonnenkollektoren kann große Teile des Wärmebedarfs in Haushalten sowie in der Industrie decken. Forscher:innen entwickeln aktuell vielversprechende Lösungen, um die Entwicklung voranzutreiben.
• Wirkung: Sonnenkollektoren wandeln mehr Energie um als eine Solarzelle in einem Photovoltaikmodul oder Solardachziegel. So kann ein Sonnenkollektor einen Wirkungsgrad von bis zu 75 Prozent erreichen.

Der Sonnenkollektor ist das Herzstück einer Solarthermieanlage. Er wird in den meisten Fällen auf einem Dach montiert, wo er die Sonnenstrahlen einfängt und die so entstehende Wärme an einen flüssigen Wärmeträger wie Wasser oder Öl weitergibt. Dieser erwärmt wiederum das Wasser innerhalb der Solarthermieanlage. So liefert diese umweltschonend warmes Wasser. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, das Heizungssystem im Haus zu unterstützen. Ein Sonnenkollektor lässt sich darüber hinaus auch an Fassaden, Balkonen und Freiflächen installieren.

Im Allgemeinen ähneln sich alle Sonnenkollektoren im Aufbau und in der Funktion. Am weitesten verbreitet sind drei Sonnenkollektor-Arten:

• Flachkollektoren
• Vakuumröhrenkollektoren
• Luftkollektoren

Für welchen Sonnenkollektor man sich entscheiden sollte, variiert vor allem mit der Sonnenintensität am jeweiligen Standort sowie der Größe der Dachfläche. Auch der Preis entscheidet mit: So gelten beispielsweise Vakuumröhrenkollektoren als Mercedes unter den Solarthermiemodulen. Die Kosten für Sonnenkollektoren in dieser Bauweise liegen zwischen rund 400 und 1.200 Euro pro Quadratmeter, Flachkollektoren etwa bei der Hälfte. Was macht die verschiedenen Sonnenkollektor-Arten aus und wie funktioniert ein Sonnenkollektor eigentlich?

Flachkollektoren sind mit einem Marktanteil von rund 90 Prozent die häufigsten Sonnenkollektoren in Deutschland.

• Flachkollektoren sind vielseitig einsetzbar und verhältnismäßig günstig.
• Sie lassen sich auf dem Dach montieren, in das Dach integrieren, an der Fassade anbringen und frei aufstellen.
• Standard-Flachkollektoren messen zwischen zwei und 2,5 Quadratmeter und lassen sich so einfach zu einer passenden Einheit kombinieren.
• Sie bestehen aus einem wärmeleitenden Absorber, meist aus Kupfer oder Aluminium, einer durchsichtigen Abdeckung sowie einer Umrahmung. Durch Rohre an der Unterseite des Sonnenkollektors fließt das Trägermedium, sprich, Wasser oder Öl.

Das sollte man über die Funktion von Sonnenkollektoren in Flachbauweise wissen:

• Die Sonnenstrahlen durchdringen zunächst die transparente Abdeckung.
• Anschließend treffen sie auf den eigentlichen Absorber. Dort wird das Sonnenlicht in Wärme umgewandelt.
• Das wiederum erwärmt die Trägerflüssigkeit, die sich in einem Wärmerohr befindet.

Diese Sonnenkollektor-Art zählt zu den preisintensiven Varianten, bietet dafür jedoch im Vergleich zu Flachkollektoren einen um rund 30 Prozent höheren Wirkungsgrad.

• Der wesentliche Unterschied von Vakuumröhren- zu Flachkollektoren liegt in der Beschaffenheit des Absorbers.
• Dieser befindet sich in einer luftleeren Glasröhre, also in einem Vakuum. Das minimiert Wärmeverluste.
• Vakuumröhrenkolletoren eignen sich aufgrund des hohen Wirkungsgrads insbesondere für eine Heizung mit Sonnenkollektoren oder zur Klimatisierung mit Sonnenenergie.

Gut zu wissen: Die Vakuumröhren-Sonnenkollektoren-Funktionsweise gleich im Prinzip der von Flachkollektoren.

Während Sonnenkollektoren in Flach- und Vakuumröhren-Bauweise einen flüssiges Trägermaterial erwärmen, erwärmen Luftkollektoren, wie der Name schon sagt, die Luft.

• Im Aufbau gleichen Luftkollektoren denen in Flachbauweise.
• Allerdings weisen diesen Sonnenkollektoren einen Wirkungsgrad auf, der unter dem von Flach- und Vakuumröhren-Varianten liegt.
• Zur Erwärmung von Trinkwasser eignen sie sich daher weniger, wohl aber für die Gebäudeheizung.

Wie arbeiten Luft-Sonnenkollektoren? Die Funktionsweise unterscheidet sich von den oben beschriebenen Ausführungen:

• Auch hier erwärmt die Sonne die in den Kollektoren verbauten Absorbern.
• Luftkollektoren saugen die Außenluft an, sodass diese an den Absorbern vorbeiströmt und sich erwärmt.
• Über Zuluftöffnungen innerhalb der Solarthermieanlage gelangt die erwärmte Luft in die Räume.

Gut zu wissen: Luftkollektoren werden auf dem Dach oder der Fassade schachtartig angeordnet. Das verbessert den Luftstrom. 

Sonnenkollektoren oder Photovoltaik, zum Beispiel mit Solardachziegeln? Bei Verwendung eines Hybridkollektors – auch bekannt als Photothermiekollektoren (PVT-Kollektoren) – ist diese Entscheidung obsolet. Diese Art von Sonnenkollektor kombiniert PV- und Solarthermie. Der Clou: Mit einem System lassen sich Wärme und Strom aus Sonnenenergie erzeugen.

• Hybridkollektoren arbeiten je nach Variante mit einer Trägerflüssigkeit oder ähneln in der Funktionsweise Sonnenkollektoren, die Luft als Wärmeträger nutzen.
• In einem Modul befinden sich ein Photovoltaikmodul sowie ein Sonnenkollektor.
• Das PV-Modul wandelt das Sonnenlicht in elektrische Energie um, der Sonnenkollektor in Wärme.

Gut zu wissen: Hybride Sonnenkollektoren haben Vorteile und Nachteile. Zu den Vorteilen zählt der geringere Platzbedarf, wenn sowohl Strom als auch Wärme solar erzeugt werden sollen. Nachteilig wirken sich die vergleichsweise hohen Anschaffungskosten aus. Häufig sind diese Varianten im industriellen und gewerblichen Bereich zu finden. So lassen sich Hybrid-Sonnenkollektoren als Poolheizung in öffentlichen Schwimmbädern oder Hotels nutzen, um nur ein Beispiel zu nennen.

Die Wärme der Sonne für Haushalt, Industrie und Gewerbe nutzen: Das Prinzip steckt hinter Sonnenkollektoren. Sie kommen in zahlreichen Szenarien zum Einsatz:

Dach- und Fassadenanlagen kommen sowohl im gewerblichen als auch im privaten Sektor für die Warmwassererzeugung zum Einsatz. Freiflächenanlagen nutzen in der Regel Betriebe.

Sonnenkollektoren können die Heizanlage unterstützen und so einen Teil zur Energiewende beitragen, indem sie den Bedarf an fossilen Brennstoffen senken. 

Fensterscheiben sind gerade im Sommer Flächen, auf denen sich die Wärme staut. Über sie gelangt die Hitze in die Innenräume. Fenster, die als Sonnenkollektoren dienen, bestehen zum Beispiel aus einer Dreifach-Isolierverglasung. In den Zwischenräumen zirkuliert ein Gemisch aus destilliertem Wasser und Glykol. Diese besondere Art der Verglasung absorbiert die Sonnenstrahlen und wandelt sie in Wärmeenergie um, die sich als Heizunterstützung nutzen lässt.

Rund 50 Fernwärmenetze in Deutschland setzen aktuell auf Sonnenkollektoren zur (meist zusätzlichen) Wärmeerzeugung. Die Anlagen erreichen Größen zwischen wenigen hundert Quadratmetern bis zu mehreren Hektar für die Heizungsversorgung in Ballungsräumen.

Schwimmbäder und -becken lassen sich auch mit der Kraft der Sonne erwärmen. Sonnenkolletoren als Poolheizung zu nutzen, ist sowohl bei Privatleuten als auch im Gewerbe verbreitet. Sie lassen sich im Wasserkreislauf des Pools integrieren und bei Bedarf aktivieren.

Überschüssige Wärme aus Solarthermieanlagen kann auch zur Kühlung verwendet werden. Dafür gelangt die erwärmte Trägerflüssigkeit in ein System, das Wärmeenergie für die Verdampfung eines Kältemittels nutzt und dabei die Umgebungsluft kühlt.

Transparente Solarmodule als Alternative zu klassischen Sonnenkollektoren

Der Wunsch, erneuerbare Energien möglichst weitreichend in den Alltag zu integrieren, ist groß. Deshalb arbeiten Forschende daran, neue Ideen zu entwickeln. Eine davon: transparente Module, die Sonnenenergie nutzen. 2014 gab es erste Forschungsergebnisse von der Michigan State University (MSU). Dort stellten Wissenschaftler:innen den ersten vollständig transparenten Solarkonzentrator vor. „Transparent Solar“ ist in der Lage, Lichtenergie durch jede durchsichtige Oberfläche zu sammeln und zu nutzen – ganz unabhängig vom Winkel. 

Diese Technologie funktioniert anders als eine Solarzelle oder ein herkömmlicher Sonnenkollektor. Der transparente Solarkonzentrator kann bestimmte Wellenlängen von UV- und Infrarotlicht absorbieren und in Energie umwandeln. Diese speziellen Wellenlängen sind für das menschliche Auge nicht sichtbar.

Transparente Solarmodule: Wenn Photovoltaik zum cleveren Baumaterial wird

Innovative Technologien für die Erzeugung von Strom und Wärme einzusetzen, ist für die Energiewende unverzichtbar. Aktuelle Forschungen an Sonnenkollektoren deuten auf vielversprechende Lösungen hin. Tipp: Wie die urbane Energiewende voranschreiten kann, beschreibt der Beitrag über die solare Stadt.

Gebäude nahezu autark mit Wärme und Strom zu versorgen, kann zum Beispiel gelingen, wenn beim Bau neue Materialien eingesetzt werden und Fassaden sowie Dächer eine neue Nutzung erfahren – nämlich in Verbindung mit Sonnenkollektoren und Solarmodulen als Wärme- und Stromerzeuger. Es gibt verschiedene Forschungsrichtungen: Einige befassen sich damit, alternative Fassadenelemente zu entwickeln, mit denen sich Wärme und Strom für das Gebäude produzieren lassen. Andere versuchen, die Idee weiterzuentwickeln, Fenster als Sonnenkollektoren zu nutzen:

• Das kann etwa durch transparente Solarfolien gelingen, die sich zum Beispiel auf Fensterscheiben kleben lassen.
• Durchsichtige Solarzellen als Fenster- oder Fassadenalternative fangen Sonnenenergie ein und wandeln sie in Wärme oder Strom um.
• Auch mit Folien können Fenster zu Wärmespendern werden. Australische Forscher:innen an der Swinburne University of Technology in Melbourne entwickelten bereits 2020 eine Solarthermie-Folie. Darin erreichen die Sonnenkollektoren einen Wirkungsgrad von bis zu 90 Prozent.
• An ähnlichen Lösungen arbeiten Wissenschaftler:innen vom Massachusetts Institute of Technology (MIT). Deren Spezialfolien, bestückt mit durchsichtigen Solarzellen, lassen sich einfach auf Fensterscheiben kleben. Denkbar sei dem Forscherteam zufolge etwa auch ein Einsatz auf Hochhäusern. So wird ein Wolkenkratzer zu einer Solaranlage.

Schon gewusst? Der Unterschied zwischen Sonnenkollektoren und Photovoltaik – zum Beispiel mittels Solardachziegeln – liegt darin, was die Module mit der eingefangenen Sonnenenergie anstellen: Sonnenkollektoren wandeln sie in Wärme um, PV-Module in Strom. Derzeit verfügbare Lösungen fokussieren sich in den meisten Fällen entweder auf Sonnenkollektoren oder Photovoltaik, produzieren also Wärme oder Strom.

Bei vielen neuen Technologien lassen sich diese Begriffe allerdings nicht mehr so klar voneinander abgrenzen. Sogenannte UV-Absorber sammeln UV-Licht ein und werden daher auch als Solarkollektoren bezeichnet. Sie produzieren aber nicht immer Wärmeenergie, auch Strom steht im Fokus der Wissenschaft.

Dazu zählen unter anderem transparenten Tandem- oder Mehrfach-Solarzellen. Sie bestehen aus zwei oder beliebig vielen Solarzellen aus jeweils unterschiedlichen, übereinander geschichteten Materialien. Im Vergleich zu herkömmlichen Einfachzellen lässt sich so der Wirkungsgrad der Sonnenkollektoren erhöhen.

Mit Sonnenkollektoren innerhalb einer Solarthermieanlage lässt sich Sonnenenergie in Wärme umwandeln, die unter anderem für die Warmwassererzeugung verwendet wird. Welche Kosten für Sonnenkollektoren und weitere Bauteile sind zu erwarten und kann man eine Förderung für Sonnenkollektoren beantragen? Diese Ratgeber liefern weiterführende Informationen über das Potenzial von Solarthermieanlagen sowie über die Warmwassererzeugung in privaten Haushalten.

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