Vakuumröhrenkollektor

Vakuumröhrenkollektor
Nahaufnahme eines CPC-Vakuumröhrenkollektors.
Dachmontage zweier Vakuumröhrenkollektoren auf einem Einfamilienhaus in Süddeutschland
Ein CPC-Vakuumröhrenkollektor
Aufbau eines CPC-Vakuumröhrenkollektors

Der Vakuumröhrenkollektor ist eine Bauweise von Sonnenkollektoren und Bestandteil einer thermischen Solaranlage. Er wird zur Erwärmung von Wasser und/oder Wasser-Frostschutzgemischen eingesetzt.

Vakuumröhrenkollektoren sind Sonnenkollektoren, da sie eine (dunkel beschichtete) Absorberfläche besitzen, die sich bei älteren Modellen in Form eines beschichteten Kupferblechstreifens im Inneren einer Glasröhre befindet, bei neueren Bauformen, wie dem Compound Parabolic Concentrator (CPC) hingegen als selektive Beschichtung auf der Oberfläche der inneren von zwei Glasröhren aufgetragen ist. Die aufgefangene Wärmeenergie wird bei den älteren Typen meist über ein Wärmerohr (englisch auch Heatpipe genannt) in einen aus dem oberen Abschluss der Röhre herausragenden metallischen Wärmetauscher transportiert, und erwärmt dort den Wärmeträger. Bei den neueren innovativeren Systemen sind die zwei Glasröhren als Thermoskanne ausgebildet und das Vakuum zwischen beiden Glasröhren befindet sich im Gegensatz zu den früheren Typen ausschließlich innerhalb des Glasverbundes, und ist somit besser vor dem Eindringen von Luft geschützt, da Spannungsrisse durch unterschiedliche Material-Ausdehnungskoeffizienten nicht mehr auftreten können.

Die Dämmwirkung wird bei Vakuumröhrenkollektoren durch ein Vakuum in der einen Glasröhre (älteres System) oder im Zwischenraum von zwei konzentrisch angeordneten Glasröhren (neueres System) erreicht, welches die Wärmeabgabe an die Umgebungsluft durch verminderte Konvektionsverluste stark verringert. Bei dem CPC-Vakuumröhrenkollektor liegt die Vakuumröhre vor einem CPC-Spiegel, der vor allem bei diffuser Strahlung (gestreutem Licht) die Leistung deutlich erhöht. Vor allem im Winter bringen Vakuumkollektoren auf Grund ihrer sehr guten Dämmung wesentlich höhere Erträge als Flachkollektoren. Nachteilig ist, dass Vakuumkollektoren aufgrund ihrer guten Dämmung keine Wärme nach außen lassen und somit Schnee und Eis nicht oder nur mangelhaft abtauen, so dass der Kollektor nicht oder nur kaum zum Einsatz kommt.

Vakuumröhrenkollektoren erreichen gegenüber luftgefüllten Flachkollektoren gleicher Größe wesentlich höhere Betriebstemperaturen und eignen sich dadurch auch zur Erzeugung industrieller Prozesswärme. Die Absorbertemperatur und somit auch die Flüssigkeitstemperatur kann je nach Konstruktion des Wärmerohres und Anwendung bis zu 350 °C erreichen. Aufgrund der hohen erreichbaren Temperaturen, vor allem im Sommer, könnten die Vakuumröhrenkollektoren das System zum Kochen bringen. Problematisch wird es bei einem Stromausfall und somit einem Pumpenstillstand. Wird die Flüssigkeit nicht weiter umgewälzt und der Kollektor gekühlt, kann es zur Überhitzung im Sommer kommen. Sommerliche Ertragsüberschüsse durch große Kollektorflächen oder ungeeignete Anlagenkonstellationen beanspruchen möglicherweise das Frostschutzgemisch (Wasser-Glykol; eingeschränkt hitzestabil) derart, dass durch thermisches Cracken des Frostschutzgemisches der Kollektor im schlimmsten Fall unbrauchbar wird. Wird die Wärme nicht rechtzeitig über geeignete Mechanismen (z. B. über die Heizung) abführt, wird der Druck in der Anlage so groß, dass Flüssigkeit durch ein Überdruckventil in ein offenes Gefäß abgelassen wird, um ein Bersten der Anlage zu verhindern. Nach dem Abkühlen des Systems muss wieder Frostschutzgemisch aufgefüllt werden, bis der notwendige Druck in dem Kreislauf wieder erreicht ist.

Neuere Anlagenkonzepte lassen auch den Betrieb mit reinem Wasser zu, was Vorteile hat, aber auch Nachteile mit sich bringt (Frostschaden im Winter). Geeignete Anlagenkonzepte und Betriebsweisen sowie ein Notstromaggregat können dabei Abhilfe schaffen.


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