Zukunft Hybrid-Kollektor

Vor einigen Wochen stiess ich zufällig auf einen Bericht über eine neue Form von Strom-und Wärmegewinnung, alleine mit Hilfe der Sonnenenergie, den sogenannten „Hybrid-Kollektoren“. Bis an hin hatte ich ein gespaltenes Verhältnis zu Solar- und Photovoltaikanlagen. Sie erfüllen einen Teilbereich der Energie-oder Wärmegewinnung, sie sind nicht wirklich schön aber auch nicht wirklich störend. Nach diesem Bericht konnte ich mich doch noch etwas begeistern und betrachte die ganze Sache mit etwas anderen Augen. Sonnenkollektoren in Solaranlagen hatten bisher den Nachteil, dass entweder Energie für die Heizung in thermischen Solaranlagen oder Strom in Photovoltaik Kollektoren erzeugt wurde. Das aussergewöhnliche an den Hybrid-Kollektoren ist die Möglichkeit, gleichzeitig Strom als auch warmes Wasser zu erzeugen.

Wie funktioniert ein Hybrid-Kollektor?

Die Sonne besitzt ein vielseitiges Lichtspektrum mit unterschiedlichsten Wellenlängen. Um die Sonnenenergie vollständig zu nutzen werden die Wellenlängen bis 700 Nanometer (sichtbares Spektrum) von den Photovoltaik-Zellen für den Strom genutzt. Die Wellenlängen über 700 Nanometer (nicht sichtbares Spektrum) wird für die Solarthermie also für das Warmwasser genutzt.

Der Hybrid-Kollektor kommt mit einer relativ kleinen Fläche aus. Übliche Kollektorflächen betragen für ein EFH ca. 30m2 (15 für der Hybrid-Kollektor bringt die gleiche Leistung mit nur ca. 20 m2. Die Anlage sieht auf den ersten Blick wie ein normaler Solar-Kollektor aus. Unter der Oberfläche sind Siliziumelemente angebracht, die auch als "Wafer" bezeichnen werden. Sie produzieren in einer Solarstromanlage den elektrischen Strom. Doch während die Wafer bei einem herkömmlichen Solarmodul ganz dicht beieinander liegen, sind sie beim Hybrid-Kollektor mit einigem Abstand montiert. Deshalb bedecken sie nur die Hälfte der Kollektor-Fläche. Die zweite Ebene ist ein Wärme-Absorber. Der Absorber besteht aus Kupferrohren, die durch eine Metallfolie (dunkel) verbunden wird und in denen eine spezielle Flüssigkeit zirkuliert. Die Flüssigkeit wird durch die Sonne erhitzt und kann somit zum Heizen genutzt werden. Obwohl die Sonne nicht die ganze Absorberfläche erreicht, weil die Hälfte mit Siliziumplatten verdeckt ist, produziert die Anlage genügend Wärme. Die Siliziumelemente, die sich durch die Sonnenstrahlung ebenfalls erhitzen, geben einen Teil ihrer Wärme an den Absorber ab. Auf diese Weise entsteht ein weiterer Vorteil: Dem Heizsystem steht mehr Wärme zur Verfügung und die aufgeheizten Solarzellen werden gekühlt, was zu einer Leistungssteigerung bei der Stromproduktion führt.Die ganze Sache scheint auf den ersten Blick nicht sehr besonders, da es die Kombination ja eigentlich schon gibt. Der unterschied liegt einfach darin, dass die ganze Anlage nicht in getrennter Form auftritt, sondern als ein einziges Prinziep, welches die Anforderungen eines von der z.B. Atomenergie unabhängiges System ergibt.

Was ist ein Kollektor?

Ein Kollektor ist der sichtbare Teil eines Solarsystems. Er befindet sich meist auf einem Dach und hat eine Fläche von mehreren Quadratmetern. Ein wichtiger Bestandteil des Kollektors ist der sogenannte Absorber. Ein Kollektor setzt sich häufig aus mehreren Elementen zusammen. Ein Element besteht aus einem Rahmen, dem Absorber mit Rohrsystem und einer Abdeckung aus Sicherheitsglas zum Schutz des Absorbers vor Witterungseinflüssen.

Was ist ein Wafer?

Der Wafer ist eine dünne Scheibe aus Halbleitermaterial (z.B. Silizium). Wafer werden als Basismaterial zur Herstellung von Computerchips und kristallinen Solarzellen verwendet. Die kristallinen Scheiben werden in der Regel aus Halbleiterblöcken gesägt und sind 0,2 bis 0,3 Millimeter dick.

Die darunter gelagerte Solarthermie, führt die Wärme aus dem Kollektor ab und kühlt die Photovoltaik-Wafer.

Die Luftschicht zwischen beiden Systemen dient als Isolator. Hier macht sich das geschlossene System die Eigenschaft des Luftraums als hervorragende Isolationsschicht zu nutzen.
Effizienzsteigerung der Stromgewinnung

• Die Stromerzeugung verliert mit zunehmender Temperatur der Solarzellen an Effektivität

• je nach Solarzellentyp liegt der Verlust bei 0,33 % bis 0,50 % pro Grad Aufheizung

• Die Solarthermie fungiert in dem Kollektor als Kühlung, stoppt die Aufheizung und steigert die Effektivität

Was bedeutet Solarthermie?

Durch die Solarthermie wird die thermische Energie der Sonnenstrahlung nutzbar gemacht. Bei der passiven Nutzung in der Architektur erwärmt die Sonne direkt, also ohne technische Apparate, ein Gebäude z. B. durch entsprechend ausgerichtete Fensterflächen oder durch eine Transparente Wärmedämmung, bei der das Sonnenlicht die äusserste Dämmschicht durchdringen kann und so die dahinter liegende Mauer erwärmt. Von aktiver Nutzung spricht man dann, wenn entsprechend konstruierte Absorberflächen Sonnenwärme sammeln und diese mit Hilfe eines Mediums z. B. zu einem Wärmespeicher transportiert wird. Im Haushalt findet die Sonnenwärme vorwiegend zur Erwärmung von Wasser und der Raumluft bzw. den Räumen Verwendung. Eine typische Anwendung ist der Sonnenkollektor. Solarthermische Anwendungen sind umso effizienter, je mehr von der Sonneneinstrahlung absorbiert wird und je weniger der dabei entstehenden Wärme durch Wärmestrahlung, Wärmeleitung oder Wärmeübertragung verloren geht.

Was ist Photovoltaik?

Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von Strahlungsenergie (Sonnenenergie), in elektrische Energie. Die Photovoltaik war früher zur Energieversorgung von Weltraumsatelliten mittels Solarzellen im Einsatz. In der heutigen Zeit wird sie zur Stromerzeugung auf der ganzen Welt eingesetzt und findet Anwendung auf Dachflächen, an Schallschutzwänden oder auf Freiflächen. Die Photovoltaik gilt als Teilbereich der Solartechnik, die auch andere technische Nutzungen der Sonnenenergie einschliesst.

Die Vorteile des Hybrid-Kollektors

• Erzeugung von Strom und Wärme in einem Kollektor

• Kühlung der Photovoltaik mittels Wärmeabführung durch die Solarthermie

• Aktiver Schneeschutz durch Abtauung

• Das System benötigt weniger Fläche und Montageaufwand

Die Nachteile des Hybrid-Kollektors

• Kurzfristig hohe Investitionskosten

• Sieht nicht, oder noch nicht ansprechend aus

• Man hat noch keine langfristigen Erfahrungen (erst seit 2008 auf dem Markt)

• Witterungsabhängig

Fazit

Die Möglichkeit mit nur einem System Wärme und Strom zu generieren finde ich vorbildlich. Wenn man andere Alternativenergielieferanten betrachtet, wie z.B. Windräder die nur als reine Stromerzeuger genutzt werden können, ist die Hybrid-Kollektor-Technik als ein zukunftsweisendes System zu betrachten. Die Tatsache völlig unabhängig von den gängigen Strom- und Wärmelieferanten zu sein ist eindrücklich und ein Schritt den es sich lohnt zu machen. Was die Ästhetik betrifft, wird sich hoffentlich noch einiges ändern. Ich glaube, dass viele Bauherren und vor allem Architekten etwas mühe mit dem Erscheinungsbild haben. Wir werden sehen was die Zukunft bringt.

Quellen:

http://gugg.wordpress.com/

http://www.solaranlagen-portal.de/

http://www.ibkammelter.de/

http://www.mdr.de/

http://www.solarhybrid.ag/

HSZ-T Hochschule für Technik Zürich | Haustechnik | 16.04.2009 | Emanuel Ammann