Solarkollektoren
Die Einstrahlungswerte können von einem Kollektor natürlich nicht vollständig verwertet werden. Es gibt verschiedene Gründe, die dazu beitragen, dass ein Teil der eingestrahlten Energie nicht bis zur Wärmeträgerflüssigkeit übertragen wird:
- Teilweise Reflexion am Abdeckglas (ca. 8 %), ausser bei nicht-abgedeckten Kollektoren;
- Nicht vollständige Absorption am Kollektor, je nach Beschichtung: minus 4-10 %;
- Nicht perfekte Kühlung des Absorbers, sogenannter F’-Faktor: minus 3-10 %;
- Thermische Emission von Wärmestrahlung, je nach Beschichtung und Temperatur;
- Thermische Verluste durch Wärmeleitung und Konvektion, Verluste je nach Temperatur;
Der Wirkungsgrad eines Kollektors hängt stark davon ab, wie gross die Differenz der mittleren Kollektor- und der Aussentemperatur ist. Wenn diese sehr gross ist
(z.B. 80 °C), ist mit hohen Wärmestrahlungs- und Konvektionsverlusten zu rechnen. Bei kleinen Temperaturdifferenzen können aber Wirkungsgrade bis gegen 90 % erreicht werden. Wenn die Kollektortemperatur aufgrund des kalten Fluids unter der Umgebungstemperatur liegt, können sogar Wirkungsgrade „über 100 %“ auftreten. Die Wärmeträger-flüssigkeit wird dann nicht nur von der Sonne, sondern auch von der Umgebungswärme erwärmt.
Es wird zwischen drei verschiedenen Kollektortypen unterschieden. Je nach Anwendung ist der eine oder andere Kollektor besser geeignet.
Unverglaste Kollektoren: Flachkollektorbauweise, nicht abgedeckt. Unverglaste Kollektoren sind ideal zur Schwimmbadbeheizung und für gewisse Anwendungen der Wasservorwärmung. In Gegenden, in denen starker Wind herrscht, ist mit noch grösseren konvektiven Verlusten zu rechnen. Auf der anderen Seite sind unverglaste Kollektoren kostengünstig und verursachen keine Reflexionen (was bei verglasten Kollektoren oft als Anlass für Einsprachen verwendet wird).
Verglaste Kollektoren: Dies sind die am häufigsten verwendeten Kollektoren. Sie eignen sich sowohl zur Wasservorwärmung, zur Brauchwassererzeugung wie auch zur Heizungsunterstützung. Preislich sind sie etwas teurer als nicht-abgedeckte Kollektoren. Wegen ihrer guten Wärmedämmung eignen sie sich auch zum Einbau in Fassaden.
(Vakuum-) Röhrenkollektoren:Eignen sich besonders zur Brauchwassererzeugung und in Gebieten mit eher niedrigen Aussentemperaturen (oder wenn ein erheblicher Anteil von Sonneneinstrahlung im Winter anfällt). Sie basieren auf der Grundidee, dass die Absorberfinne in einem evakuierten Rohr nur über Wärmestrahlung Energie verliert. Zudem führt das Reflexionsverhalten des Lichtes und die Geometrie des Glasrohres dazu, dass schräg einfallendes Licht im Vergleich zu Flachkollektoren besser auf den Absorber gelangt. Insgesamt sind die Röhrenkollektoren aber die teuersten, und für gewisse Anwendungen nicht so gut geeignet, wie Flachkollektoren.
Nebst den thermischen Eigenschaften des Kollektors bestimmen auch geometrische und optische Eigenschaften dessen Leistungsfähigkeit. Zum einen wird bei flacheren Einfallswinkeln (wenn die Kollektorfläche „schräg von der Seite“ bestrahlt wird) die effektive Einstrahlungsfläche kleiner. Zum anderen reflektiert das Abdeckglas das Licht umso stärker, je flacher der Reflexionswinkel ist. Diese winkelabhängige Eigenschaft wird als IAM („Winkelfaktor“, engl. „incident angle modifier“) bezeichnet.
Es kann durchaus vorkommen, dass die Wirkungsgradkennlinie bei einem Kollektor höher liegt als bei einem anderen, er aber aufgrund seines Spiegelungsverhaltens einen tieferen Jahresertrag erbringt. Daher ist der IAM ebenso wichtig für die Beschreibung eines Kollektors, wie der Wirkungsgrad selber.
Bei einem Flachkollektor spielt es je nach Dimension keine grosse Rolle, ob der Winkel über die Längs- oder die Querachse (longitudinal oder transversal) abgefahren wird, solange das Glas nicht besonders strukturiert ist, oder der Kollektor eine längliche Form aufweist.
Das physikalische Phänomen dieser Reflexion und Rand-Abschattung ist gut verstanden. Es lässt sich durch die Ambrosetti-Funktion \(K(\theta) = \ \ 1 – {(\tan{(\frac{\theta}{2}))}}^{a}\) mit einem einzigen Parameter beschreiben. Oft wird dafür das Reflexionsverhalten unter einem Winkel von 50° verwendet. Bei diesem Winkel lässt sich der Wirkungsgrad experimentell noch mit grosser Genauigkeit bestimmen und der Winkeleffekt ausreichend gut feststellen.
Bei Röhrenkollektoren sind die beiden IAM-Verläufe unterschiedlich. In transversaler Richtung nimmt die Energieeinstrahlung wegen der Reflexionseigenschaft der Glasröhren weniger stark ab, als diese aufgrund der perspektivischen Verkürzung der Kollektorfläche zu erwarten wäre. Ab einem gewissen Punkt fällt der IAM aber drastisch ab, wegen der gegenseitigen Abschattung der Röhren.
Die longitudinale Richtung wird ebenfalls mit der Ambrosetti-Funktion und einem Messpunkt bei 50° Neigung von der Normalen ermittelt. Für die transversale Richtung sind je nach Kollektorgeometrie mehrere Messpunkte erforderlich, die mit Hilfe einer kubischen Spline verbunden werden. Die Bedingungen an den Enden der Spline, (erste und zweite Ableitung), verhalten sich entsprechend einer Spiegelung an der z-Achse θ=0°. Alle IAM Werte zwischen der Longitudinalen und Transversalen sind mit der bekannten Form der McIntire-Funktion \(K\left( \theta_{l},\theta_{t} \right) = K\left( \theta_{l},0 \right) \cdot K(0,\theta_{t})\) approximiert. Eine andere Form der Gleichung sieht so aus: \(K(\theta,\varphi) = K\left( \theta_{l},0{^\circ} \right) \cdot {\cos(\varphi)}^{2} + K(\theta_{t},90{^\circ}) \cdot {\sin{(\varphi)}}^{2}\) . Es besteht allerdings auch die Möglichkeit, eigens aus Messungen oder Simulationen ermittelte IAM Tabellen einzufügen.