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Wirkungsgrad der Solarkollektoren

Der Wirkungsgrad eines Solarkollektors ist definiert als das Verhältnis der an den Solarkreislauf abgegebenen Wärmemenge zur einfallenden Strahlungsenergie. Gemeint ist damit die an die Solarflüssigkeit übertragene Wärmemenge. An anderen Stellen der Solarthermie Anlage treten weitere Verluste auf, die es unmöglich machen, diese Wärme vollständig in tatsächlich nutzbare Energie umzuwandeln. Dazu gehören der Wärmespeicher, der Wärmetauscher und auch die Leitungen. Diese Verluste schmälern den Wirkungsgrad der Gesamtanlage, sind aber für den Wirkungsgrad des Kollektors irrelevant.

Optischer Wirkungsgrad

Optische Verluste treten an der Abdeckung des Kollektors auf, an der ein Teil der einfallenden Strahlung absorbiert oder reflektiert wird. Auch am Absorber treten optische Verluste auf, weil dieser die einfallende Strahlung nicht vollständig absorbieren kann. Üblicherweise wird für den Transmissionskoeffizienten der Abdeckung die Bezeichnung τ gewählt. Dieser gibt den Anteil der Strahlung an, der durch die Abdeckung auf den Absorber gelangt. Für gute Solargläser liegt τ zwischen 0,85 und 0,95, zumindest bei nahezu senkrechtem Strahlungseinfall. Das Absorptionsvermögen des Absorbers wird in Produktbeschreibungen meist als α bezeichnet und ist definiert als das Verhältnis der vom Absorber absorbierten Strahlung zur auf den Absorber auftreffenden Strahlung. Absorber mit selektiver Beschichtung erreichen Werte von α = 0,9 bis 0,95. Der optische Wirkungsgrad errechnet sich aus beiden als ηopt = α τ.

Thermische Verluste

Der Absorber ist deutlich wärmer als seine Umgebung, was zwingend zu Wärmeverlusten führt. Diese Verluste sind proportional zur Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Absorber und der Umgebung. Der Proportionalitätsfaktor wird üblicherweise als k bezeichnet, die Wärmeverluste betragen also Pth= k ΔT

Die an den Wärmekreislauf abgegebene Leistung errechnet sich also aus der auftreffenden Leistung Pauf zu Pnutz = Pauf ηopt - k ΔT = Pauf α τ - k ΔT. Der Gesamtwirkungsgrad ist definiert als η = Pnutz / Pauf oder also η = α τ - k ΔT/ Pauf Die Werte der drei Parameter α,τ und k hängen vom Solarkollektor ab und sind der jeweiligen technischen Produktbeschreibung zu entnehmen.

Niedrige Temperaturen bei hoher Strahlung sind günstig

Der Wirkungsgrad nimmt also mit höheren Temperaturen des Absorbers ab und mit steigender auftreffender Leistung zu. Natürlich nimmt die Absorbertemperatur bei höheren Strahlungsleistungen zu, genau das ist das Funktionsprinzip der Solarthermie. Aber der Anstieg der Temperatur kann reduziert werden, wenn die Wärme schnell aus dem Kollektor abtransportiert wird. Das ist der Grund dafür, dass ein Solarkollektor in High-Flow Anlagen einen höheren Wirkungsgrad aufweist.

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