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Solarthermische Anlagen

Strahlungspotential

Die Sonne stellt die größte und sicherste Energiequelle dar und ist für die Strahlungserzeugung verantwortlich, die den natürlichen Energiezustand auf der Erde bestimmt. Die mit dem Wert der Solarkonstante〖 E〗_0 (1.367 W/m²) berechenbare Strahlungsleistung sowie Strahlungsenergie, die auf die Erde einfällt, übersteigt den weltweiten Primärenergiebedarf um ein Vielfaches. Die Solarstrahlung, die in Form von Photonen auf die Erdatmosphäre trifft beziehungsweise in diese eindringt, tritt in unterschiedliche Wechselwirkungen mit der vorhandenen Materie. Durch Reflexion und Streuung der gerichteten Einstrahlung beim Durchgang durch die Atmosphäre lassen sich zwei Arten der dabei entstehenden Strahlung unterscheiden. Die Direktstrahlung bezeichnet den gerichteten, die Diffusstrahlung den ungerichteten Anteil der Einstrahlung. Die Summe der Strahlung, die schließlich auf eine horizontale Ebene der Erdoberfläche auftrifft, wird als Globalstrahlung bezeichnet. Nur knapp die Hälfte der von der Sonne ausgehenden Einstrahlung auf die Atmosphärenhülle erreicht schließlich in Form von direkter oder diffuser Strahlung die Erdoberfläche.
Die geographische Breite stellt den einflussreichsten Faktor in Bezug auf das Strahlungsangebot dar. In Deutschland nimmt man im Jahresmittel eine tägliche Strahlungsenergie von 2,9 kWh/m² an; in einem Jahr sind das rund 1.045 kWh/m². Am Äquator, der den Breitengrad 0 darstellt, beläuft sich der Wert der täglichen Strahlungsenergie im jährlichen Mittel auf 5,9 kWh/m²; also jährlich ca. 2.150 kWh/m². Der Einsatz solarthermischer sowie photovoltaischer Anlagen bietet somit ein großes Potential zur Energieversorgung, insbesondere je näher der Standort in Richtung Äquator gelegen ist.


Technische Grundlagen

Solarthermische Anlagen nutzen die Globalstrahlung zur direkten Erwärmung von Wasser, Luft oder anderen Flüssigkeiten und Gasen. Die sogenannten Kollektoren leiten, bündeln und absorbieren dabei die solare Strahlungsenergie. Das Wärmeträgermedium ist meist ein Wasser-Glykol-Gemisch, damit dieses bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes nicht einfriert, was zu Beschädigungen an der Anlage führen würde. Das Grundprinzip ähnelt dem einer Zentralheizung mit Heizkörpern (Radiatoren). Die Funktionsweise der solarthermischen Anlage ist jedoch umgekehrt. Während dem Radiator einer Zentralheizung warmes Heizungswasser zugeführt wird, damit sich dessen Rippen erwärmen und die Wärme an die Umgebungsluft abgeben, werden bei einem solarthermischen Kollektor die Absorber (Rippen) von der Globalstrahlung erwärmt. Diese geben die Wärmeenergie an das Wärmeträgermedium weiter, welches in den meisten Fällen wiederum einen hydraulischen Speicher aufwärmt. Eine Umwälzpumpe fördert dazu das Wärmeträgermedium aus der Heizspirale eines Warmwasserspeichers in den Solarkollektor.
Es gibt unterschiedliche Arten von Solarkollektoren. Grundlegend können zwei Bautypen unterschieden werden. Flachkollektoren weisen einen einfacheren Aufbau und damit geringere Investitionskosten auf. Röhrenkollektoren weisen meist einen komplexeren Aufbau auf, durch den jedoch auch ein breiteres Spektrum der Globalstrahlung genutzt werden kann. Höhere Wirkungsgrade und daraus resultierend höhere Erträge zeichnen diesen Kollektortyp aus. Röhrenkollektoren können auch bei tieferen Außentemperaturen und geringeren Globalstrahlungswerten einen Wärmestrom generieren. Der Vorteil für höhere Breitengrade ist ersichtlich.


Projekt einer solarthermische Anlagen in Nepal

Die Planung und Installation solarthermischer Anlagen erfolgte für Einrichtungen und Organisationen, die dem Schutz und der Entwicklung von benachteiligten Kindern in Nepal dienen. Durch solarthermische Anlagen kann Warmwasser in den Bädern für die Körperpflege und in der Küche für die Zubereitung von Essen und die Reinigung von Utensilien nahezu ganzjährig bereitgestellt werden. Die solarthermische Anlage besteht aus Vakuum-Röhren, die von Trinkwasser durchflossen werden. Das Wasser wird wiederum durch die Strahlungsenergie der Sonne erwärmt. Ein Warmwasserspeicher, der oberhalb der Vakuumröhren gelagert ist, speichert das erwärmte Wasser im Tagesverlauf mit einer Bevorratung von ca. 350 Litern. Die hydraulische Anlage ist als Schwerkraftsystem ausgeführt. Das bedeutet es werden keine zusätzlichen Pumpen zur Druckerhöhung benötigt. Das Wasser fließt aufgrund der Schwerkraft durch topographisch höher gelegene Tanks nach und zirkuliert durch Unterschiede in der Dichte aufgrund von Temperaturunterschieden im Speicher automatisch durch die Röhren. Der Einsatz einer solarthermischen Anlage bewirkte den Austausch eines wartungsintensiven und ineffizienten Durchlauferhitzers, der mit Gas betrieben wurde. Die Betriebskosten der solarthermischen Anlage belaufen sich im Vergleich auf ein Minimum. Eine unabhängige, klimaneutrale und kostengünstige Warmwasserbereitstellung ist die Prämisse dieser Energie-Projekte in Nepal.


Weiterführende Literatur, Quellen


Hadamovsky, H. & Jonas, D. (Hg.) (2007). solarstrom - solarthermie, 2. Auflage, Würzburg
Wesselak, V. & Voswinckel, S. (Hg.) (2012). Photovoltaik –Wie Sonne zu Strom wird, Heidelberg
Hanus, B. & Stempel, U. (Hg.) (2009). Solarenergie im Haus, Poing



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