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Wirkungsgrade

Energieumwandlungen bedeuten immer auch Verluste. Der Wirkungsgrad (η) beschreibt, wie viel der eingesetzten Energie, bei dieser Technologie die zur Verfügung stehende Strahlungsenergie, über einen bestimmten Zeitraum in Wärme umgewandelt und auch genutzt werden kann.

η = Nutzenergie / eingesetzte Energie

Der Wirkungsgrad einer Solaranlage liegt bei ~ 50 %. Entscheidend ist bei solarthermischen Anlagen der Wirkungsgrad der Kollektoren. Der maximale Wirkungsgrad der Kollektoren liegt mittlerweile bereits bei über 80 %.

Kenngrößen von Kollektoren

Der Kollektorwirkungsgrad gibt das Verhältnis der vom Kollektor erzeugten Wärmeleistung zur solaren Strahlungsleistung an. Der Wirkungsgrad ist von Umgebungsbedingungen, Einsatzart und Betriebsparametern abhängig. Ein geringerer Kollektorwirkungsgrad kann je nach Region durch eine höhere Einstrahlungsleistung sowie eine höhere Umgebungstemperatur kompensiert werden.

Mit der Kollektorkennlinie (Wirkungsgrad-Kennlinie) wird der Wirkungsgrad in Abhängigkeit von einem variablen Parameter (meist der Differenz zwischen mittlerer Kollektortemperatur und Umgebungstemperatur) gezeigt. Mithilfe dieser Kennlinie können geeignete Einsatzmöglichkeiten für Kollektoren bestimmt werden.

Mathematisch kann die Kollektorkennlinie durch ein Polynom 2. Ordnung beschrieben werden. Die Koeffizienten dieses Polynoms sind charakteristische Kennwerte eines Kollektors:

Mit:

Tm: mittlere Temperatur des Wärmeträgers im Kollektor, °C

Tu: Umgebungstemperatur, °C

G: Globale Bestrahlungsstärke, W/m²

Wobei η0 als maximaler Wirkungsgrad, a1 als linearer Wärmeverlustkoeffizient und a2 als quadratischer Wärmeverlustkoeffizient bezeichnet wird. Der maximale Kollektorwirkungsgrad η0 wird durch den Schnittpunkt der Kollektorkennlinie mit der y-Achse dargestellt.

Ein weiterer Kennwert ist die Stillstandstemperatur. Diese zeigt die maximale Temperatur eines Kollektors, die bei Stillstand der Anlage auftritt. Ab dieser Temperatur werden die solaren Gewinne durch die Verluste an die Umgebung aufgewogen (Schnittpunkt der Kollektorwirkungsgrad-Kennlinie mit x-Achse).

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