Die Kollektorkennlinie (Wirkungsgradkennlinie) gibt an, wie der Wirkungsgrad eines Solarkollektors sinkt, wenn er wärmer läuft als seine Umgebung: η = η0 − a1·(Tm−Ta)/G − a2·(Tm−Ta)²/G. η0 ist der optische Wirkungsgrad (0,75–0,82 bei guten Flachkollektoren), a1 und a2 sind Wärmeverlustkoeffizienten, und G ist die Einstrahlung, bezogen auf 1.000 W/m². Alle drei Werte stammen aus Prüfungen nach ISO 9806 und stehen in jedem Solar-Keymark-Datenblatt.
Was bedeuten η0, a1 und a2 eigentlich?
Die drei Parameter teilen das Verhalten eines Kollektors in Gewinn und Verlust auf. η0, der optische Wirkungsgrad, ist der Anteil des Sonnenlichts, der in Wärme umgewandelt wird, wenn der Kollektor bei Umgebungstemperatur läuft und nichts verliert; a1 und a2 beschreiben, wie schnell der Wirkungsgrad schwindet, wenn die mittlere Flüssigkeitstemperatur Tm über die Umgebungstemperatur Ta steigt.
| Parameter | Bedeutung | Flachkollektor | Vakuumröhre (brutto) |
|---|---|---|---|
| η0 | Wirkungsgrad bei ΔT = 0 (optisch) | 0,75 – 0,82 | 0,45 – 0,65 |
| a1 (W/m²K) | Linearer Wärmeverlustkoeffizient | 3,0 – 4,0 | 1,0 – 2,0 |
| a2 (W/m²K²) | Temperaturabhängiger Verlustkoeffizient | 0,010 – 0,020 | 0,003 – 0,008 |
Ein hoher η0-Wert zahlt sich bei niedrigen Betriebstemperaturen aus, niedrige a1/a2-Werte bei hohen. Kein einzelner Parameter macht einen Kollektor zum „besten“ – die Anwendung entscheidet, an welchem Ende der Kennlinie man sich bewegt.
Wie wird die Kennlinie gemessen?
Ein akkreditiertes Prüflabor misst sie nach EN ISO 9806, entweder unter stationären Bedingungen (stabile Sonne, feste Eintrittstemperaturen) oder mit dem quasi-dynamischen Verfahren, das die Parameter aus wechselnden Außenbedingungen ermittelt. Die Referenzeinstrahlung beträgt 1.000 W/m². Seit der Ausgabe 2013 der Norm werden die Parameter auf die Brutto-Kollektorfläche bezogen – die Solar-Keymark-Datenblätter vollzogen diese Umstellung 2016 –, sodass ältere aperturbezogene Werte für denselben Kollektor systematisch höher aussehen; der Unterschied ist unter Aperturfläche erklärt. Die zertifizierten Werte jedes Modells sind in der Solar-Keymark-Datenbank öffentlich, was einen ehrlichen Vergleich überhaupt erst möglich macht.
Wie liest man die Kennlinie in der Praxis?
Setzen Sie Ihre Betriebsbedingungen ein, und die Kennlinie liefert den erwarteten Wirkungsgrad. Nehmen wir einen Flachkollektor mit η0 = 0,78, a1 = 3,5, a2 = 0,015, der an einem 20-°C-Tag (ΔT = 40 K) bei 800 W/m² einen Speicher auf 60 °C erwärmt: η = 0,78 − 3,5 × 40/800 − 0,015 × 40²/800 = 0,575. Der Kollektor wandelt etwa 58 % des verfügbaren Sonnenlichts um – rund 460 W pro Quadratmeter. Rechnet man dasselbe bei ΔT = 70 K, fällt der Wirkungsgrad auf nahe 40 %: dieselbe Hardware, völlig unterschiedliche Leistung, je nachdem, wie heiß man sie betreibt. Deshalb sind niedrige Rücklauftemperaturen und geschichtete Speicher in der Anlagenplanung so wichtig.
Warum kreuzen sich die Kennlinien von Flachkollektor und Vakuumröhre?
Weil die eine höher startet und die andere langsamer fällt. Der Flachkollektor beginnt mit einem besseren η0; der Vakuumröhrenkollektor verliert dank seiner Vakuumdämmung den Wirkungsgrad deutlich langsamer.
| ΔT (K) | Flachkollektor (0,78 / 3,5 / 0,015) | Vakuumröhre (0,65 / 1,5 / 0,005) |
|---|---|---|
| 0 | 0,78 | 0,65 |
| 20 | 0,70 | 0,62 |
| 40 | 0,62 | 0,58 |
| 60 | 0,52 | 0,54 |
| 80 | 0,40 | 0,50 |
Bei diesen Beispielkollektoren und 1.000 W/m² kreuzen sich die Kennlinien zwischen 40 und 60 K. Unterhalb des Kreuzungspunkts – Trinkwarmwasser bei mildem Wetter – liefert der Flachkollektor mehr Wärme pro Quadratmeter Bruttofläche; oberhalb davon – Prozesswärme, solare Kühlung, tiefer Winter – gewinnt der Röhrenkollektor.
Welcher Teil der Kennlinie ist für Ihre Anwendung maßgeblich?
Ordnen Sie den Parameter dem Temperaturbereich zu. Trinkwarmwasseranlagen verbringen die meisten Stunden bei ΔT von 20–40 K, wo η0 dominiert – weshalb Flachkollektoren diesen Markt beherrschen. Bei Kombianlagen und gewerblichen Lasten mit 50–70 K wird a1 zunehmend entscheidend. Prozesswärme oberhalb von 80 K ist das Terrain von a2 und meist von Vakuumröhren- oder Spezialkollektoren. Letztlich entscheidet der Jahresertrag, nicht der Momentanwirkungsgrad: Solar-Keymark-Datenblätter geben den berechneten Jahresertrag pro Modul an Referenzstandorten und bei Referenztemperaturen an und übersetzen die Kennlinie so in die kWh-Zahl, die ein Planer tatsächlich braucht – diese Werte liegen für jeden Solar-Keymark-zertifizierten Solimpeks-Kollektor vor, von den Serien Wunder ALS und ANSG bis zum PV-T-Hybridmodul.
Häufig gestellte Fragen
Was ist ein guter η0-Wert für einen Solarkollektor?
Bei Flachkollektoren sind 0,75–0,82 bezogen auf die Bruttofläche der Qualitätsbereich; Vakuumröhren werden wegen der Zwischenräume zwischen den Röhren bezogen auf die Bruttofläche niedriger zertifiziert (0,45–0,65). Prüfen Sie immer, ob die Zahl bruttoflächenbezogen ist, bevor Sie sie beurteilen.
Warum liegt mein realer Jahresertrag unter dem, was die Kennlinie vermuten lässt?
Die Kennlinie ist eine momentane Laborcharakteristik bei Referenzbedingungen. Ein Jahr umfasst Nächte, flache Sonnenwinkel, Rohr- und Speicherverluste sowie Abweichungen zwischen Bedarf und Angebot, sodass der Systemertrag deutlich unter dem Spitzenwirkungsgrad des Kollektors liegt. Nutzen Sie für die Planung die Jahresertragswerte aus dem Datenblatt.
Werden η0, a1 und a2 auf die Apertur- oder die Bruttofläche bezogen angegeben?
Die aktuelle Prüfung nach ISO 9806 und die Solar-Keymark-Datenblätter verwenden die Bruttofläche, seit 2016 Standard. Dokumente aus der Zeit vor der Umstellung nennen oft aperturbezogene Werte, die für denselben Kollektor höher ausfallen – rechnen Sie vor dem Vergleich auf eine gemeinsame Basis um.
Gilt die Kennlinie auch für PVT-Kollektoren?
Ja – die thermische Seite eines PVT-Kollektors wird nach denselben ISO-9806-Verfahren geprüft und erhält dieselben Parameter. Unverglaste PVT-Kollektoren haben zusätzlich windabhängige Koeffizienten, weil die Konvektion ihre Wärmeverluste dominiert.