Was ist ein Vakuum-Röhrenkollektor und wie funktioniert er?
Ein Vakuum-Röhrenkollektor ist eine Form von Kollektoren, welche die Wärmestrahlung der Sonne sammeln und für das Heizen oder das Erwärmen von Trinkwasser nutzen. Sie sind ein wesentliches Element der Solarthermie.
Aufbau eines Vakuum-Röhrenkollektors
Die Absorber der Kollektoren bestehen aus einem System von Glasröhren, in denen sich eine Flüssigkeit (Trägermedium) befindet, welche sich durch die Wärmestrahlung der Sonne erhitzt. Diese Röhre ist von einer zweiten Röhre umgeben. Zwischen den beiden Rohren befindet sich nichts, also ein Vakuum.
Luftleerer Raum ist ein guter Isolator, da die Wärme nicht durch einen direkten Kontakt mit einem Medium übertragen werden kann und auch nicht durch Strömungen. Damit ist sowohl Konduktion (Wärmeleitung) als auch Konvektion (Wärmeströmung) ausgeschlossen. Nach diesem Prinzip halten Thermoskannen den Inhalt warm. Wärmestrahlung kann den luftleeren Raum passieren. Daher behindert diese Art der Isolation nicht den Durchgang der Infrarotstrahlung zur Flüssigkeit in der inneren Röhre.
Die mit dem warmen Medium gefüllte innere Röhre sendet nur sehr wenig Wärmestrahlung aus, daher gibt die Röhre kaum Wärme ab, nimmt aber viel thermische Energie auf.
Die inneren Röhren sind außerdem mit einer hochselektiven Absorberschicht versehen. Dies ist eine dünne Metallschicht, die von außen Wärmestrahlung durchlässt aber den Durchgang der Strahlen in die andere Richtung verhindert. Zusätzlich liegt die äußere Röhre in einem gewölbten verspiegelten Blech, das die Strahlung bündelt.
In der inneren Röhre verlaufen zusätzlich Wärmleitprofile, die eine schnelle Übertragung der Wärme auf die Flüssigkeit unterstützen.
Unterschiedliche Bauformen der Röhren
- Direkt durchströmte Kollektoren: Die Röhren werden direkt vom Trägermedium durchflossen und liegen in einem Parabolspiegel liegen. Daher sind diese Kollektoren besonders effizient bei diffusem Licht. Sie erbringen auch in Mitteleuropa gute Erträge und sind in Deutschland weit verbreitet. Eine einzelne defekte Röhre lässt sich austauschen.
- Indirekt durchströmte Kollektoren: Eine Heat Pipe befindet sich in der inneren Röhre und ragt aus dieser heraus. Das Wärmerohr enthält eine leicht verdampfende Flüssigkeit. Sie gibt die Wärme an die Trägerflüssigkeit ab und kondensiert dabei. Die Röhren sind besonders wartungs- und reparaturfreundlich. Außerdem erwärmen sie sich nicht so stark, ein Vorteil, wenn wenig Wärme benötigt wird. Der Wirkungsgrad ist allerdings bei Kollektoren, durch die das Medium direkt fließt größer. Ein hoher Wirkungsgrad bedeutet bei Sonnenkollektoren mehr Wärme je Quadratmeter.
Wissenswertes zu den Röhren
Bei älteren Vakuum-Kollektoren waren die beiden Röhren mit einem Werkstoff versiegelt. Durch die unterschiedlichen Materialien kam es häufig zu Spannungsrissen. Bei den modernen Systemen sind die Glasrohre miteinander verschmolzen. Risse treten daher nicht schnell auf.
Der Röhrendurchmesser ist bei Vakuum-Röhrenkollektoren nicht genormt. Die meisten Hersteller verwenden Röhren mit einem Durchmesser von 48 beziehungsweise 58 Millimetern. Der Wirkungsgrad ist bei Modellen mit einem großen Durchmesser besser als bei solchen mit einem kleinen.
Vorteile und Nachteile gegenüber Flachkollektoren
Generell ist der Wirkungsgrad bei Vakuum-Röhrenkollektoren besser. Da diese Systeme kaum Wärmeverluste haben, liefern sie auch im Winter Wärme. Aber bei Eis oder Schnee tauen die Flächen schlechter ab.
Generell können Vakuumröhren höhere Temperaturen erzeugen. Dies hat den Vorteil, dass Sie auch Prozesswärme für die Industrie zur Verfügung stellen können. Aber im Sommer kann das Medium im Inneren kochen. Pufferspeicher müssen überflüssige Wärme aufnehmen. Ein Stillstand der Pumpe oder extrem warmes Wetter kann zu einer Überhitzung führen. In drucklosen Systemen verdampft die Trägerflüssigkeit, ein Nachfüllen ist nötig. In geschlossenen Anlagen müssen Sicherheitsventile einen zu hohen Druck verhindern.
Eine bedarfsgerechte Größe der Anlage ist daher von großer Bedeutung, damit im Normalbetrieb nicht zu viel Wärme erzeugt wird.