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Optischer Wirkungsgrad von Solarkollektoren

Kennzahl zur Bestimmung der Effizienz von Flach- und Röhrenkollektoren

In der Solartechnik dient der Wert des optischen Wirkungsgrades zur Angabe der absorbierten Solarenergie, die letzten Endes zur Warmwasser-Bereitung und Raumheizung durch eine thermische Solaranlage eingesetzt werden kann. In Fachkreisen der olarthermie ist diese Kennzahl auch als Konversionsfaktor bekannt. Der optische Wirkungsgrad errechnet sich aus der Kombination der Verlusten durch Lichtreflexion an der Glasabdeckung und nicht absorbierter Strahlung der Absorberfläche. Die Kennzahl ergibt gepaart mit thermischen Verlusten durch Unterschiede zwischen Kollektor- und Außentemperatur den allgemeinen Wirkungsgrad von Solarkollektoren und wird mit dem Zeichen η0, sprich "ETA Null" angebenen.

Optische Verluste und Wirkungsgrad bei Flachkollektoren
Effekte die den Wirkungsgrad von Solarkollektoren senken: Konversion, Strahlungsverluste und Reflexionen auf der Absorberfläche, optische Veruste

So setzt sich der optische Wirkungsgrad zusammen

Die Bauart Flachkollektor besitzt lediglich eine einfache Abdeckung aus Glas, welche die Absorberfläche vor Wärmeverlusten und Umwelteinflüssen wie Hagel oder der Schneelast schützen soll. Ein Teil der eintreffenden Globalstrahlung entzieht sich aufgrund der Glasabdeckung (und deren Lichtdurchlässigkeit oder auch Transmissionsgrad) der Absorption. Das mindert den optischen Wirkungsgrad mit wachsender Stärke der Glasabdeckung. Ebenso ist die spezielle Beschichtung der Absorberfläche eines Kollektors nicht in der Lage, die Solarenergie zu 100 % in Wärme umzuwandeln und stellt somit eine weitere limitierende Komponente dar. Darüber hinaus spielt die Temperaturdifferenz zwischen Absorber und der Umgebung eine maßgebliche Rolle bei der Bestimmung des Wirkungsgrads von Solarkollektoren da sich zu den optischen Verlusten auch noch thermische Verluste durch eine Wärmeabgabe in die Umgebung hinzugesellen, wenn Absorber und Umgebung unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Um Zweitere zu minimieren, wurde der Vakuum-Röhrenkollektor entwickelt, der analog zum Thermoskannenprinzip und Funktionsweise Wärme-Abstrahlung effektiv verhindert. Auch erste Vakuum-Flachkollektoren gibt es seit ein paar Jahren; bislang aber noch eine Nischenanwendung. Der gesamte Kollektorwirkungsgrad, also nicht nur der optische, errechnet sich daher aus dem Anteil der eingehenden Sonnenenergie abzüglich optischer und thermischer Verluste sowie durch Hinzu-Berechnung des Wärmeverlustkoeffizienten, auch U-Wert genannt. 

Formeln:

Optischer Wirkungsgrad = Zusammenspiel aus Lichtdurchlässigkeit der Glasabdeckung, Absorptionsvermögen des Absorbers und der Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und Umgebung.

 

Kollektorwirkungsgrad = Optischer Wirkungsgsgrad + Wärmeverlustkoeffizient (U-Wert).

 

Beispiel:

Die Solarstrahlung beträgt 800 W/qm, ein Flachkollektor hat sich schon auf 90°C aufgeheizt und seine technischen Angaben lassen auf einen optischen Wirkungsgrad η0 von 80 % schließen. Die Außentemperatur beträgt 25°C, das Delta beträgt also dT = 90-25 = 65 Kelvin. Die Wärmeverlustkoeffizienten K1, gemessen in W/(qm*K) und K2, gemessen in W/(qm*K^2) geben die negative Steigerung der resultierenden Kurve an.

Nutzbare Wärme bei 80 % optischer Wirkungsgrad = 800 * 0.8 – 4*65 – 0.01*65*65 = 337,75 W/qm