Durch die ständige Verbrennung von fossilen Energieträgern ist der Treibhauseffekt auf der Erde angestiegen, und somit der Klimawandel icht mehr aufzuhalten. Da durch den Einsatz von Atomenergie unberechenbare Gefahren auftreten können,und somit das ganze argwöhnisch beobachtet wird, müssen erneuerbare Energien weiter erschlossen werden.Durch die ständige Verbrennung von fossilen Energieträgern ist der Treibhauseffekt auf der Erde angestiegen, und somit der Klimawandel nicht mehr aufzuhalten. Da durch den Einsatz von Atomenergie unberechenbare Gefahren auftreten können,und somit das ganze argwöhnisch beobachtet wird, müssen erneuerbare Energien weiter erschlossen werden.

Die Solaranlage dient zur Erschließung von Sonnenstrahlung und setzt diese in andere Energieformen um. Unterschieden wird die Solaranlage zur Stromerzeugung, auch Photovoltaikanlage oder Fotovoltaikanlage genannt und der thermischen Solaranlage zur Wärmegewinnung.

Interessant ist die Einbindung durch die Installation einer thermischen Solaranlage in ein bestehendes Heizungssystem zur Energieeinsparung. Die Solaranlage eigenet sich gut zur Erzeugung von Trinkwarmwasser und in Niedrichenergiehäusern zur Heizungsunterstützung. Bei ESH 40 (Passivhäuser), also Wohngebäude mit einem Jahresheizwärmebedarf unter 15 kWh pro Jahr je m2, kann der Anteil zur Heizungsunterstüzung und Trinkwarmwasseraufbereitung sogar 70 % betragen. Berechnungen haben ergeben, das die Sonne zur Erde ca.5000 mal mehr Energie liefert als die gesamte Weltbevölkerung verbraucht. Zur Mittagszeit liefert die Sonne bei blauen Himmel 1000 W pro m2. Durch unterschiedliche Bewölkung und Jahreszeiten liegt der Nutzungswert weit unter dem Maximalwert. In Berlin kann man zum Beispiel mit einer mittleren Sonnenscheindauer von ca. 1800 Stunden im Jahr ausgehen. Das sind immerhin noch 1150 Kilowattstunden pro m2 im Jahrdie eine thermische Solaranlage kostenlos und umweltfreundlich liefert.

Das ist die Summe aus direktem Sonnenschein, diffuser Sonnenstahlung durch Wolken und Reflexionen durch benachbarte Gebäude. Der Nachteil einer Solaranlage ist, dass die Energiegewinnung stark schwankt und im Winter, wenn der Energiebedarf am größten ist, sich auf ein Minimum reduziert.

Übers Jahr gesehen kann man jedoch hohe Energieanteile, insbesondere bei Erzeugung von Trinkwarmwasser, mit der Solaranlage erzielen. Schliesslich muss auch im Sommer Trinkwarmwasser aufbereitet werden. Mit zunehmender Dämmung der Häuser sinkt der Heizenergiebedarf. Der Verbrauch von Trinkwarmwasser kann jedoch als gleichbleibend angenommen werden.

Durch steigene Energiepreise und Umweltbewußtsein wird die Installation einer thermischen Solaranlage zur Aufbereitung von Trinkwarmwasser zunehmend von der Bevölkerung akzeptiert.

Die Photovoltaikanlage erzeugen mit der s.g. Solarzelle elektrischen Strom. Insbesonders bei Sportbooten sind sie für die Batterieladung unerlässlich. Bei klaren Himmel im Sommer kann man mit einer Solarzelle einen kleinen Kühlschrank betreiben und die Batterien nachladen. Immermehr sieht man auf Hausdächern große Photovoltaikanlagen zur Erzeugung von elektrischen Strom, der in das öffentliche Stromversorgungsnetz eingespeist wird. Die Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen ist jedoch vom Abnahmepreis der Versorgungsnetzbetreiber abhängig, und ist zur Zeit politisch festgelegt. Die Einspeisevergütung liegt wesentlich höher, als der Verbraucher selber bezahlt. In der Bevölkerung wird immer noch die Photovoltaikanlage und die thermische Solaranlage durcheinander gebracht, wahrscheinlich wegen des gemeinsamen Überbegriffes Solaranlage.

Daneben gibt es in südlichen Ländern, wo die Sonne viel scheint, thermische Solarkraftwerke. In ihnen werden Sonnenstrahlen gebündelt und aus den damit erzielten hohen Temperaturen wird in Wärmekraftwerken elektrischer Strom erzeugt.

Schon der französische Chemiker A.L. Lavoisier baute 1776 einen Sonnenofen aus einer justierbaren Sammellinsenanlage. Der Brennspiegel hatte 30cm Durchmesser und bei einer Brennweite von 320cm erreichte er im Brennpunkt eine Temperatur von 1800° Celsius. Weitere Versuche folgten, und bereits Mitte des neunzehnten Jahrhunderts konnten französische Forscher mit Hilfe von Hohlspiegeln durch Nutzung von Sonnenenergie eine Dampfmaschine betreiben.

Der Sonnenkollektor (Kollektor = Sammler) ist ein Hauptbestandteil der thermischen Solaranlage. Aufgabe des Sonnenkollektors ist es die von der Sonne gelieferte Sonnenstrahlung umzuwandeln und dem Wärmeträgermedium, welches den Sonnenkollektor durchströmt, zuzuführen.

Der Kollektor sollte auf dem Dach eines Hauses montiert werden und einen Neigungswinkel von 30 bis 55° haben. Die Kollektorebene sollte möglichst nach Süden ausgerichtet sein, weil die Sonneneinstrahlung zur Mittagszeit am größten ist. Abweichungen bis 45° von der Südrichtung bis Südost oder Südwest sind akzeptabel.

Der Sonnenkollektor besteht aus dem Absorber mit einem umschließenden Gehäuse mit bestmöglicher Wärmedämmung. Das Wärmeträgermedium durchströmt ein spezielles Kupferrohr und nimmt die Wärme von dem Absorber auf. Der Absorber kann ein schwarzes Blech sein das die einfallenden Sonnenstrahlen fast vollständig schluckt. Durch die den Absorber umgebene Wärmedämmung kann nur wenig Wärme aus Ihm entweichen und somit heizt er sich auf. Über Wärmetauscherrohre nimmt das Wärmeträgermedium, welches aus einem Frostschutz / Wassergemisch besteht, die Wärme auf und mündet in einer Sammelleitung.

Die Bauart von einem Sonnenkollektor bestimmt den Wärmeertrag. Es werden verschiedene Bauarten unterschieden: Speicherkollektor, Flachkollektor, Vakuumflachkollektor, Vakuumröhrenkollektor und Schwimmbadabsorber.

Flachkollektoren sind unter den thermischen Solaranlagen weit verbreitet. Sie bestehen aus großflächigen Absorbern die in einem kastenförmigen Gehäuse montiert sind. Die Abdeckung des Gehäuses besteht meistens aus Sicherheitsglas. Dieser Sonnenkollektor lässt sich gut in den Dachaufbau integrieren.

Eine Sonderbauweise des Flachkollektors ist der Vakuumflachkollektor. Im Innern des Kollektorgehäuses befindet sich ein Niederdruck von ca. 0,3 bar. In den letzten Jahren wurden Vakuumflachkollektoren auch mit Edelgasen gefüllt.

Eine interessante Bauart des Sonnenkollektors ist der Vakuum-Röhrenkollektor, der eine hohe Differenz zwischen Kollektortemperatur und Umgebungstemperatur aufweist, vergleichbar mit einer Thermoskanne. Bei diffuser Sonnenstrahlung weist dieser Sonnenkollektor einen besseren Wirkungsgrad auf als Flachkollektoren. Im Jahresmittel können das 30% sein. Zusätzlich kann die Kollektorfläche kleiner gehalten werden, jedoch sind die Investionskosten größer. Weicht bei der Montage, der Sonnenkollektor von der Südrichtung ab, kann die Abweichung durch axiales Drehen der Vakuumröhren (ca. 25°) kompensiert werden.

Auch bei den Vakuumröhrenkollektor / Vakuumröhrenkollektoren gibt es unterschiedliche Bauarten. Bei dem Wärmerohrprinzip (Heat-Pipe) verdampft eine spezielle Wärmeflüssigkeit und wird in einem Wärmetauscher wieder kondensiert. Wird eine der Vakuumröhren schadhaft, kann sie leicht ausgetauscht werden. Bei den flüssigkeitsdurchströmten Vakuumröhrenkollektoren muss im Schadensfall das Wärmeträgermedium abgelassen werden. Jedoch wird durch den direkten Wärmeübergang eine höhere Leistung erreicht als beim Wärmerohrprinzip, wo Verluste am Wärmetauscher auftreten.

Daneben gibt es noch Vakuumröhren die nach dem Sydneyprinzip (CPC-Kollektoren) oder dem Schott-Prinzip arbeiten. Der CPC Sonnenkollektor ist etwas kostengünstiger, der Wirkungsgrad ist gegenüber üblichen Vakuumröhren etwas niedriger.

Bei Speicherkollektoren sind Sonnenkollektor und Trinkwasserspeicher in einem Gehäuse mit ca. 120 Liter Wasserinhalt untergebracht. Wegen der höheren Frostgefahr in Nord- & Mitteleuropa sind sie eher in südlichen Ländern anzutreffen.anzutreffen. Der Speicherkollektor wird wie ein Durchlauferhitzer in die Warmwasserleitung eingesetzt. Wegen seines guten Preis-Leistungsverhältnisses stellt er eine interessante Alternative zu anderen Bauarten da.

Man kann jedoch einen Sonnenkollektor ganz einfach und preiswert bauen, indem man zur Erwärmung von Schwimmbadwasser einfache Rohrschleifen aus schwarzem Kunststoff zum Beispiel auf Flachdächern verlegt. Ferner werden in südlichen Ländern s.g. Solarduschen in Freibädern oder am Strand verwendet. Im Winter muss man das komplette Wasser wegen Frostgefahr aus den Kunststoffrohren und Behältern abgelassen. Es ist immer wieder interessant zu beobachten, wie man mit einfachen und kostengünstigen Maßnahmen erstaunliche Resultate erreicht, um den Lebensstandart zu erhöhen.

Ein weiterer Hauptbestandteil einer Solaranlage ist der Solarwärmespeicher, der für den Betrieb mit Flach- oder Vakuumröhrenkollektoren gleichermaßen geeignet ist. Allerdings muss die Größe der Kollektorfläche mit der Größe von dem Solarwärmespeicher abgestimmt werden. Kleinere Kollektorflächen bringen keine vollständige Beladung, größere Flächen erhöhen den nutzbaren Solargewinn, haben aber im Sommer längere Anlagenstillzeiten zur Folge, weil der Solarwärmespeicher die Wärme nicht mehr abnehmen kann. Durch die tages- und jahreszeitliche Schwankungen der Sonnenscheindauer stimmen Energieversorgung und Energienachfrage selten überein. In der Mittagszeit, wenn die Sonne am höchsten Punkt steht, ist bei klarem Himmel die solare Energiegewinnung am größten. Diese solare Energie wird in dem Solarwärmespeicher zwischengespeichert. Bei kleinen Anlagen, für Ein- und Zweifamilienhäusern ist der Solarwärmespeicher nach dem Kurzzeitprinzip gebaut, und er kann den Wärmebedarf vom Tag zur Nacht ausgleichen. In den Sommermonaten sollte der Solarwärmespeicher kurze Schlechtwetterperioden ausgleichen können.

Man unterscheidet bei den Kurzzeitspeichern zwischen Pufferspeicher, Schichtenspeicher und Kombispeicher. Wasser eignet sich für Solarwärmespeicher, die nach dem Kurzzeitprinzip arbeiten als ideales Speichermedium, und hat im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten hohe Vorteile:

Wasser hat eine hohe Wärmekapazität und kann somit viel Wärme speichern.

Wasser schichtet sich stabil, warmes bleibt oben und kaltes Wasser bleibt unten. Das Temperaturgefälle in den Schichten bleibt lange erhalten, weil Wasser ein schlechter Wärmeleiter ist. Ein Pufferspeicher wird zur Speicherung von Heizwasserwärme verwendet.

Als Solarwärmespeicher ist der normale Pufferspeicher nicht geeignet, weil dem Sonnenkollektor möglichst kaltes Wasser zugeführt werden muss. Daher wird der Wärmetauscher, der die Solarenergie einbringt, im unteren Teil des Speichers gebaut. Das im unteren Teil erwärmte Wasser steigt nach oben und vermischt sich sofort mit dem umgebenen kälteren Wasser. Der Pufferspeicher erwärmt sich schnell auf ein einheitliches Temperaturniveau, welches aber nicht ausreicht, das Trinkwasser auf akzeptabele Temperaturen zu erwärmen.

Für einen gut funktionierenden Solarwärmespeicher benötigen wir einen Schichtenspeicher, bei dem eine Vermischung des Wassers vermieden wird. Die Schichtenbildung erreicht man durch ein im Speicher eingebautes Auftriebsrohr, auch Thermosiphon genannt, vorrausgesetzt ein Wärmetauscher ist im unteren Teil des Schichtenspeichers eingebaut. Bei dieser Art von Solarwärmespeicher liefert der Sonnenkollektor Wärme in das niedrige Temperaturniveau des Schichtenspeichers. Das wirkt sich günstig auf den Wirkungsgrad der Solaranlage aus. Im oberen Teil erfolgt die Wärmeabnahme von Trinkwarmwasser oder Heizwasser, da warmes Wasser leichter ist als kaltes. Hochwertige Solarwärmespeicher haben im oberen Teil eine hygienische Trinkwarmwasseraufbereitung nach dem Durchlauferhitzerprinzip. Dadurch werden evt. Probleme mit Legionellen vermieden. Ansonsten sollte der Speicher einmal am Tag auf mindestens 60°C erhitzt werden. Gute Solarwärmespeicher erkennt man daran, dass bei der Trinkwarmwasserentnahme und der Beladung des Speichers die gebildeten Wärmeschichtungen durch Verwirbelung nicht zerstört werden. Daher werden im Speicher Prallplatten eingebaut, neue Systeme wie der Thermosiphon optimieren die Schichtenbildung. Der Thermosiphon leitet das solar erwärmte Wasser in passende Temperaturschichtungen. Reicht die Beladung des Speichers durch Solarenergie nicht aus, muss mit einem zweiten konventionellen Wärmeerzeuger nachgeheizt werden.

Neben den Kurzzeitspeichern gibt es für mittlere Wohnanlagen (z.B. Wohnparks) Langzeitspeicher. Durch große Kollektoranlagen wird Wärme in einem großen zentralen Solarwärmespeicher über Monate hinweg, möglichst ohne Verluste gespeichert. Die gespeicherte Wärme wird über Leitungen im Winter an die einzelnen Häuser weitergegeben. Je nach Bauart der Anlage kann der Energiebedarf für Heizung und Warmwasser bis zu 70% abgesenkt werden.

Bei einer thermischen Solaranlage wird hauptsächlich das geschlossene Solarkreissystem angewendet. Das offene Solarkreissystem, mit dem an der höchsten Stelle offenen Ausdehnungsgefäß, wird nur selten gebaut.

Bei dem geschlossenen Solarkreissystem ist eine Sicherheitsgruppe notwendig. Als wichtigstes Bauteil benötigt man ein Sicherheitsventil mit einem Ansprechdruck von ca. 6 bar. Die Temperaturbeschaffenheit dieses Ventils sollte bis 120°C ausgelegt sein. Im Falle eines Überdrucks wird Solarflüssigkeit in einem offenen Auffangbehälter abgeben, der mindestens den Flüssigkeitsinhalt des Sonnenkollektors aufnehmen kann.

Sehr wichtig ist ein Membrandruckausdehnungsgefäß (MAG) für eine geschlossene Anlage. In einem Solarkreissystem funktioniert das Ausdehnungsgefäß MAG genauso wie in einer Wasserheizungsanlage. Der Vordruck ist von der Anlagenhöhe abhängig und beträgt meistens 1,5 bar zuzüglich + 0,1bar/m multipiziert mit der statischen Höhe. Vor Inbetriebnahme der Solaranlage muss der Vordruck des MAGs mit einem Manometer inclusive Absperrventil eingestellt werden. Geliefert werden MAGs mit einem Vordruck von 3 bar.

Mindestens 1 - 3 Liter Solarflüssigkeit beträgt die Wasservorlage in einem Solarkreissystem. Wie in einem Heizungssystem ist am Ausdehnungsgefäß ein blombiertes Absperrventil mit Entleerungshahn angebracht. Ein weiteres Bauteil ist in einem Solarkreissystem die Schwerkraftbremse. Sie soll verhindern, dass wenn die Umwälzpumpe ausgeschaltet ist, ein Flüssigkeitskreislauf vom heißen Solarspeicher zu den kalten Sonnenkollektoren entsteht. Somit funktioniert die Schwerkraftbremse in einem Solarkreissytem wie ein Rückflussverhinderer.

Ferner schaltet ein Temperaturfühler die Elektronik der Umwälzpumpe. Bei einer einstellbaren Temperaturdifferenz von z.B. 7 Kelvin soll die Umwälzpumpe anlaufen. Ein weiterer Temperaturfühler befindet sich im Sonnenkollektor. Die Drehzahl der Umwälzpumpe wird von der Elektronik geregelt.

Im Vor- und Rücklauf wird jeweils ein Thermometer montiert, um die Funktion der Solaranlage zu kontrollieren. Ebenfalls wird mit einem Manometer der Betriebsdruck in der Anlage überwacht, der meistens mit ca. 2,5 bar höher ist, als der von einer normalen Heizungsanlage. Wegen der höheren Drücke wird in einem Solarkreissystem ein höherer Siedepunkt der Solarflüssigkeit erreicht, gleichzeitig reduziert sich die Verdampfungsgefahr. Wichtig ist auch ein Durchflussregulierungsventil zur Kontrolle der Inbetriebnahme sowie des Betriebes. Der Durchfluss der Solarflüssigkeit kann in Liter pro Minute abgelesen werden.

Umwälzpumpe, Sicherheitsgruppe, Durchflussregulierungsventil und die Armaturen werden vom Hersteller meistens als eine Baueinheit der s.g. Solar-Divicon geliefert. Das verkürzt die Montagezeiten erheblich. Die Solar-Divicon muss immer tiefer als der Sonnenkollektor montiert werden, damit bei einem Stillstand im Solarkreissystem kein Dampf in das MAG gelangen kann. Bei Dachheizzentralen oder großen Kollektorflächen ab 25m2 wird vor dem MAG ein Temperaturschichtbehälter vorgeschaltet. Damit wird die Membrane im MAG vor unzulässig hoher Temperatur (ca. 70°C) geschützt. Das MAG ist immer so auszulegen, das es den kompletten Kollektorinhalt bei Dampfbildung aufnehmen kann.

Zur Verbindung von der Solar-Divicon zum Sonnenkollektor können vorgefertigte flexible Solarleitungen mit einer speziellen Hochtemperaturisolierung mit bester Wärmedämmung verwendet werden. Diese speziellen Solarleitungen sind Wellrohre aus Edelstahl, welche sich gut durch stillgelegte Schornsteine ziehen lassen. Eine große Aufgabe ist es immer wieder, eine möglichst unsichtbare Verbindung vom Sonnenkollektor zum Solarspeicher im Keller zu finden. Die Wellrohre sind mit einer speziellen Klemmringverschraubung versehen, und können ohne Löten mit dem Sonnenkollektor und der Solar-Divicon verbunden werden. Kupferrohrleitungen müssen in einem Solarkreissystem wegen der hohen Temperatur der Solarflüssigkeit hartgelötet werden. An der höchsten Stelle im Solarkreissystem wird am Sonnenkollektor ein Entlüfter montiert, der nach einer Betriebszeit der Solaranlage von ca. 3 Wochen mit einem Absperrhahn gesperrt werden kann.