Aktualisiert: 16. Januar 2020
Bei der Solarthermie nutzt man Solarkollektoren (Vakuumröhrenkollektoren, Flachkollektoren, Hybridkollektoren).
Inhaltsverzeichnis
Unterschied Solarzellen und Solarkollektoren
Immer wieder kommt es vor, dass selbst versierte Vertreterinnen und Vertreter der österreichischen Medienlandschaft in der Berichterstattung Solarzellen und Solarkollektoren (im Volksmund auch Sonnenkollektoren genannt) gleichsetzen oder diese gar verwechseln. Der Unterschied zwischen Solarzellen und Solarkollektoren ist oftmals nicht bekannt. Ein Grund dafür ist beispielsweise, dass es in Bilddatenbanken eine Menge an Bildern von Photovoltaikmodulen (die sich aus einzelnen Solarzellen zusammensetzen) gibt, während geeignete Fotos von Solarthermieanlagen oftmals schwer zu finden sind.
Da ist es nur allzu verständlich, dass der Unterschied in der breiten Gesellschaft nicht genau bekannt ist. Wir haben uns unter anderem das Ziel gesetzt, dass der grundsätzliche Unterschied zwischen Photovoltaik und Solarthermie mehr Menschen bekannt sein soll. Die gute Nachricht: prinzipiell sind die Systeme sehr einfach zu unterscheiden!
Kombinierte Lösung mit PV und Solarthermie auf einem Dach. Auf den Seiten Solarmodule, in der Mitte ein Solarkollektor
Grundsätzliches
Bevor wir uns dem Unterschied zwischen Solarzellen und Sonnenkollektoren widmen, sollen die Systeme Photovoltaik und Solarthermie betrachtet werden. Beide Anlagen beziehen ihre Energie durch die Nutzung der Sonnenenergie. Bei Photovoltaik wird Strom erzeugt, bei der Solarthermie geht es um die Erzeugung von warmen bzw. heißem Wasser. Dafür sind die sogenannten Solarkollektoren zuständig. Diese sammeln sozusagen die Energie aus der Sonne, darum auch der Name KOLLEKTOR. Der Ausdruck findet ausschließlich Verwendung im Zusammenhang mit Solarthermie. Genauere Formen von Kollektoren (Flach- und Röhrenkollektoren) werden im Laufe des Artikels geklärt.
Wie zuvor bereits angeführt, sind Photovoltaikmodule für die Erzeugung von elektrischem Strom zuständig. Ein Photovoltaikmodul besteht aus mehreren Solarzellen. Auch hierbei gibt es verschiedene Formen (mono- und polykristalline sowie Dünnschichtzellen), die ebenfalls im weiteren Verlauf erläutert werden.
Grundsätzlich gilt jedoch, dass Sonnenlicht von Körpern reflektiert oder von diesen aufgenommen wird. Je heller der Körper, desto mehr wird reflektiert.
Was ist nun der Unterschied zwischen Solarzellen und Sonnenkollektoren? Im den nächsten Absätzen werden zuerst die verschiedenen Arten von Solarkollektoren erläutert.
Solarzellen bilden Photovoltaikmodule, die man zur Erzeugung von Strom verwendet. Solarkollektoren sammeln die Energie der Sonne, diese nutzt man für das Aufbereiten von bspw. Warmwasser. Somit werden Solarzellen im Bereich der Photovoltaik, Solarkollektoren im Bereich der Solarthermie verwendet. Es gibt sowohl unterschiedliche Arten von Solarzellen (mono- & polykristalline bzw. Dünnschichtzellen) als auch von Solarkollektoren (Vakuumröhren- und Flachkollektor). Diese unterscheiden sich in der Herstellung, Funktionsweise, dem Wirkungsgrad und dem Preis.
Unterschied zwischen Solarzellen und Solarkollektoren: Solarkollektoren
In diesem Absatz werden die verschiedenen Arten von Kollektoren, die in der Solarthermie verwendet werden, erklärt. Im Wesentlichen unterscheidet man zwischen Vakuumröhrenkollektoren und Flachkollektoren.
Vakuumröhrenkollektoren
Vakuumröhrenkollektoren sind grundsätzlich luftleere, sehr widerstandsfähige Glasröhren, die sehr effizient beim Aufnehmen des Sonnenlichts sind. Vom Glas umhüllt ist ein sogenannter Kupferabsorber, der vom Sonnenlicht erhitzt wird und ein darin liegendes Wärmeleitrohr. Durch diese Konstruktion fließt kaltes Wasser, dass die erzeugte Wärme (bis zu 100 Grad) aufnimmt und transportiert. Der große Vorteil: dadurch, dass das Vakuum keine Wärme ableiten kann, ist der Wirkungsgrad sehr hoch, da von der Sonnenenergie praktisch nichts verloren geht. Vakuumröhrenkollektoren sind somit sehr effizient was eine hohe Leistung angeht, was sich aber auch in einem höheren Preis niederschlägt. Ein Grund für die hohen Produktionskosten: für die Fertigung von Vakuumröhrenkollektoren ist ein spezielles Glas notwendig, um den sogenannten „Spülmaschineneffekt“ zu verhindern.
Vakuumröhren für die Aufbereitung von Warmwasser
Einen weiteren wichtigen Faktor stellt die Lichtdurchlässigkeit dar. Diese kann selbst bei aus einfachem, aber veredeltem (wasserfeste, Antireflexionsschicht) Fensterglas, hergestellten Röhren bis zu 97 % betragen. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass sie nur 3% des Sonnenlichts von der Oberfläche reflektieren, den Rest kann man für die Erzeugung von Wärme nutzen. Außerdem sorgt die beschichtete Glasoberfläche dafür, Verwitterungszuständen nicht zu sehr ausgesetzt zu sein. Die Lebensdauer von solchen Röhren beträgt in etwa 20 Jahre. Ein wichtiger Aspekt, der dabei zu beachten ist, betrifft die qualitative Verbindung zwischen Metall und Glas.
Exkurs: Spülmaschineneffekt
Wenn Glas häufig mit Wasser in Berührung kommt, machen sich Verwitterungszustände breit. Man sieht das bei alten Gläsern in Haushalten beispielsweise, die schon sehr trüb sind. Bei der Verwendung innerhalb der Solarthermie würde dies zu großen Problemen führen, weshalb es wichtig ist, diesem zu begegnen und eigene Materialen zu entwickeln. Das ist ein Unterschied zwischen Solarzellen und Solarkollektoren, da man diesen Effekt bei Solarzellen nicht vorfindet.
Flachkollektoren
Flachkollektoren werden, trotz ihres geringeren Wirkungsgrades im Vergleich zu Vakuumröhrenkollektoren, häufiger verbaut. Prinzipiell gilt die Regel, dass von etwa 10 verbauten Solarthermieanlagen 9 aus Flachkollektoren bestehen. Die Flachkollektoren sind aus einem schwarzen, metallischen Absorber sowie aus einer darüber liegenden Glasscheibe aufgebaut. Unter dem Absorber befindet sich Wasser, dass durch das Aufnehmen von Wärmeenergie der Sonne vom Absorber erhitzt wird. Ein Nachteil: die Flachkollektoren galten insofern als ineffizient, da sie zwar einerseits viel Wärme aufnehmen, aber ebenso viel Wärme wieder abgeben, die im Umkehrschluss für die Erzeugung von Energie verloren geht. Um diesem Problem zu begegnen, wurde eine Deckschicht entwickelt, die direkt über dem Absorber liegt. Das heißt, dass der Absorber immer noch die Wärme aufnimmt, sich aber der Höhe der Verluste in der Größenordnung von 5 % bewegen. Somit ergeben sich Potenziale für die Wassertemperaturen von 60 – 80 Grad.
Flachkollektor auf dem Dach eines Kunden
Hybridkollektoren
Zusätzlich gibt es sogenannte Hybridkollektoren. Diese können sowohl Warmwasser als auch Strom erzeugen. In diesem Zusammenhang spricht man auch von Photothermie bzw. Thermovoltaik. Sie sind wie folgt aufgebaut: ähnlich wie bei Flachkollektoren liegen unter einer Glasfläche Photovoltaikzellen, die für die Stromerzeugung zuständig sind. Darunter wiederum liegt der Absorber, der die eintreffende Wärmeenergie für die Bereitstellung von Warmwasser aufnimmt. Die Solarzellen sind jedoch nicht über die gesamte Fläche verteilt, sodass „Zwischenräume“ entstehen, durch welche die Sonne auf den Absorber trifft. Jedoch ergeben sich dadurch auch Nachteile. Beispielsweise braucht man im Sommer, wenn es sehr heiß ist, weniger Solarthermie und mehr Photovoltaik (weniger Wärme und dafür mehr Strom).
Denn bei einer hohen Produktion von Wärme muss man sich zusätzliche Puffer anschaffen, um diese überhaupt zwischenspeichern zu können. Diesbezüglich gibt es das Konzept von flexiblen Hybridkollektoren. Dabei werden in einer zweiten Schicht zusätzliche Solarzellen eingebaut. Möchte man also mehr Strom produzieren, fahren sich diese hoch, decken dann praktisch die ganze Fläche ab und verschatten somit den Absorber, der für die Wärmeerzeugung zuständig ist.
Abgedeckte und unabgedeckte Hybridkollektoren
Unabedeckte Hybridkollektoren sind vor allem auf die Erzeugung von Strom gerichtet. Der Unterschied zu abgedeckten Hybridkollektoren besteht darin, dass sich unter der Glasscheibe Luft befindet, die zwar in der Wärmeerzeugung effizienter ist, dies jedoch gleichzeitig die Wirkungsgrade der Solarzellen für die Stromerzeugung einschränkt. Abgedeckt bzw. unabgedeckt beschreibt also nicht die Glasplatte an sich (da beide Formen von Glas abgedeckt werden), sondern wie die darunter liegende Technik aufgebaut ist. Richtet man den Blick auf Anbieter, so findet man im Sortiment zum Großteil unabgedeckte Hybridkollektoren. Diese dürften in Zusammenspiel von energetischer Ausbeute sowie Produktionskosten besser sein.
Klingt doch insgesamt genial, wo ist der Haken?
Ein Vorteil besteht logischerweise in der Kombination der Systeme, der sich vor allem bei wenig verfügbarer Fläche zeigt. Ein Nachteil, nämlich eine zwangsweise höhere Wärmeerzeugung im Sommer wurde oben schon angeführt. Des Weiteren liegt ein wichtiger Unterschied zwischen Solarzellen und Solarkollektoren, wenn es um die Temperaturen geht, die auf die Anlage treffen. Flach- und Vakuumröhrenkollektoren können sich sehr hoch erhitzen (>80 Grad), ein Vakuumröhrenkollektor noch weitaus stärker. Ein wichtiger Unterschied zwischen Photovoltaikmodulen und Solarkollektoren liegt darin, dass Solarzellen bei kalten Außentemperaturen besser funktionieren als bei sehr heißen. Die optimale Solarmodultemperatur liegt bei 25 Grad. Somit müssen bei Hybridkollektoren Systeme eingebaut werden, die die Solarzellen kühlen.
Wohin mit dem warmen Wasser?
Bei beiden Systemen (Flach- und Vakkumkollektor) leitet man das erhitzte Wasser über gedämmt Leitungen in gepolsterte Wassertanks. Dieser ist von einem dicken Schaumstoff umgeben, um die Effizienz bestmöglich zu bewerkstelligen. Die Wassertanks versorgen, je nach Bedarf das Bad, die Küche etc. mit Warmwasser.
Der erste Teil bezüglich des Unterschied zwischen Solarzellen und Solarkollektoren wäre hiermit geschafft! Nun wenden wir uns den Solarzellen zu, die in Summe, sprich wenn man sie verbindet, ein Photovoltaikmodul bilden. Zusammengeschlossene Photovoltaikmodule bilden die Photovoltaikanlage.
Unterschied zwischen Solarzellen und Solarkollektoren: Photovoltaikmodule
Im Folgenden erläuert der Artikel die wesentlichen Arten von Photovoltaikmodulen. Prinzipiell gibt es mono- und polykristalline bzw. Dünnschichtzellen. Wie zu Beginn des Artikels angeführt, ist der Unterschied zwischen Photovoltaikmodulen und Solarkollektoren jener, dass Module aus einzelnen Zellen bestehen, die Strom erzeugen. Bei allen spielt die Energierücklaufzeit (siehe Amortisation) eine wesentliche Rolle. Diese ist umso besser, je mehr erneuerbare Energien man für die Herstellung verwendet. Das führt dazu, dass hergestellte Module aus Deutschland oder Österreich wesentlich bessere Bilanzen haben als beispielsweise aus Asien. Für all jene, die sich für die Kosten von Photovoltaikanlagen interessieren, sei auf diesen Artikel verwiesen.
Monokristalline Solarzellen
Monokristalline Solarzellen sind die älteste Technologie (ab den späten 1950er Jahren) innerhalb der Familie der Photovoltaik. Erste Verwendungen findet man innerhalb der Raumfahrt, die ohne diese Technik gar nicht möglich gewesen wäre. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass man bei der Herstellung reines Silizium (Halbleitermaterial) verwendet. In der Regel erkennt man monokristalline Solarzellen daran, dass sie achteckig geschnitten sind, weshalb sich zwischen den Zellen kleine Quadrate ergeben. Das führt dazu, dass man bei monokristallinen Solarzellen zwar den höchsten Wirkungsgrad hat (bis zu 22%), die Herstellung jedoch sehr viel Energie braucht und sie somit von allen drei Arten die Teuerste ist. Der Wirkungsgrad beschreibt die Erzeugung von Strom pro Solarzelle.
Monokristalline Solarzellen
Unterschied zwischen Solarzellen und Solarkollektoren: Details 1/2
Der Name monokristallin kommt daher, da sich die Struktur aus einkristallinen Stäben, die eine einheitliches Muster bilden, zusammensetzt. Wie schon angedeutet ist die Qualität hoch, die Ausbeute bei optimalen Temperaturen sehr gut, die Anschaffung jedoch relativ teuer. Beeinflusst wird die Leistungsfähigkeit natürlich von den vorherrschenden Lichtverhältnissen und Außentemperaturen. Prinzipiell fällt die Effizienz bei steigenden Außentemperaturen (man spricht in diesem Zusammenhang auch vom Temperaturkoeffizienten) bzw. nicht-optimaler Lichteinstrahlung. Jedoch sollte man sich von Abweichungen vom Optimum nicht abschrecken lassen!
Der Temperaturkoeffizient beschreibt, wie die Leistung mit jedem sich erhöhenden Grad fällt. Das führt dazu, dass in unseren Breiten die Ausbeute im Mai am höchsten ist, da die Sonne zwar einerseits schon sehr hochsteht, die Außentemperatur jedoch noch vergleichsweise kühl ist. Für die Schattenwirkungen, die die Verbindungen zwischen den Zellen bewirken, gibt es ebenfalls Lösungen. Diese Verbindungen gestaltet man am besten so, dass das Licht nicht reflektiert, sondern diese die Sonnenstrahlen nach recht und links ablenken. Damit erhöht sich natürlich auch der Wirkungsgrad.
Hier ist eine monokristalline Photovoltaikanlage auf dem Dach eines Kunden zu sehen
Polykristalline Solarzellen
Im Unterschied zu monokristallinen werden polykristalline Solarzellen durch ein Gussverfahren hergestellt, weshalb die Kristallstruktur ungleichmäßiger bzw. inhomogener ist. Diese Technik entwickelte sich Anfang der 1960er Jahre. Das eigentliche Halbmaterial bei der Herstellung ist ebenfalls Silizium. Die ungleiche Struktur führt dazu, dass der Wirkungsgrad von polykristallinen Solarzellen unter dem von monokristallinen liegt (15 – 18 %). Jedoch sind sie in der Herstellung günstiger, da der Energieaufwand für die Produktion nicht so hoch ist. Dies führt zu einem günstigeren Anschaffungspreis. Richtet man den Blick auf die gesamte Auswirkung bezüglich Umwelteinwirkungen, erhalten polykristalline Solarzellen bessere Noten, da sie eben weniger Energie, als auch weniger Ressourcen benötigen und somit unterm Strich weniger Müll produzieren. Man kann festhalten, dass der Großteil der verbauten Photovoltaikmodule aus polykristallinen Solarzellen besteht.
Verschiedene polykristalline Solarzellen im Vergleich
Unterschied zwischen Solarzellen und Solarkollektoren: Details 2/2
Die polykristallinen Solarzellen bestehen aus kleinen Rechtecken (im Gegensatz zu den Achtecken bei den monokristallinen). Ein wesentlicher Unterschied besteht außerdem darin, dass sie zwar einen schlechteren Wirkungsgrad, dafür jedoch einen besseren Temperaturkoeffizienten haben. Im Umkehrschluss bedeutet das, dass je näher man an den Äquator kommt, desto besser schneiden die polykristallinen im Vergleich zu den monokristallinen ab. Wir erinnern uns: je heißer die Außentemperatur, desto reduzierter der Wirkungsgrad von monokristallinen Zellen! Richtet man den Blick auf diffuses Licht, gibt es keine wesentlichen Differenzen. Ein weiterer, wichtiger Aspekt bezieht sich auf den Flächenverbrauch: während bei den monokristallinen die Leistung pro Quadratmeter immer weiter steigt, ist diese bei den polykristallinen ins Stocken gekommen. Das heißt, das Verhältnis zwischen Leistung und der dafür notwendigen Fläche wird bei den Solarzellenarten immer größer.
Polykristalline PV-Anlage verbaut auf dem Dach eines Kunden
Dünnschichtmodule
Dünnschichtmodule werden im Folgenden nur kurz umrissen, da sie heute (zumindest in unseren Breiten) in der Praxis kaum noch bis gar keine Anwendung mehr finden. Einfach gesagt handelt es sich dabei um eine Glasscheibe, die man mit einem leitfähigen, photovoltaikfähigen Material bedampft. Vorteile bestehen darin, dass sie sehr einfach zu fertigen sind und damit die geringsten Produktionskosten aufweisen. Der Temperaturkoeffizient ist noch kleiner als bei Polymodulen, was bedeutet, dass sie bei sehr intensiven und langen Sonnenstunden gut funktionieren. Jedoch bringen sie auch den Nachteil mit sich, dass sie beispielsweise fast dreimal so viel Fläche wie monokristalline benötigen, um dieselbe Menge an Energie zu erzeugen.
Typische Dünnschichtmodule einer PV-Anlage in den USA
Dünnschichtzellen verwechselt man manchmal mit Flachkollektoren, da sie oftmals gleichmäßig schwarz sind und diesen somit sehr ähnlich schauen. Der Trick: einfach schauen, ob die Bauteile mit Rohren verbunden sind, wenn ja, handelt es sich um Flachkollektoren. Des Weiteren wurde der Platz schon angeführt, denn man wird kaum auf nur 2 bis 6 Dünnschichtmodule auf einem Dach treffen. Sieht man hingegen groß ausgebaute Flächen, handelt es sich höchstwahrscheinlich um Dünnschichtmodule.
Dünnschichtmodule auf einem Wohnhaus
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