Hochleistungs-Vakuumröhren für mehr Energieeffizenz - Gebäudeintegrierte CPC-Vakuumröhren-Kollektoren vereinen mehrere Funktionen

CPC-Hochleistungs-Vakuumröhren werden zunehmend zur gebäudeintegrierten Energienutzung, in industriellen Großanlagen und in Freiflächensystemen eingesetzt. Die integrierten Vakuumröhrenkollektoren erzeugen solare Wärme auf hohem Temperaturniveau (Heizungsunterstützung, Warmwasserbereitung, solare Kühlung), leuchten die Räume mit natürlichem Tageslicht gleichmäßig semitransparent (blendfrei) aus und bieten einen Sonnenschutz, ohne den Durchblick zum äußeren Umfeld zu beeinträchtigen. Zudem erreichen die CPC-Fassadenkollektoren insbesondere während der Sommermonate hohe Temperaturen, die sich als ideale Voraussetzungen für solarthermische Kühlsysteme nutzen lassen.
Der Vorteil der solarthermischen Kühlsysteme liegt darin begründet, dass sie auch noch mit anderen Wärmequellen kombiniert werden können (z.B. Erdwärmenutzung, Abwärme aus Rechnerräumen, etc.) und daher die Energieeffizienz erhöhen.

Höchstleistung mit CPC-Technologie
Das Kürzel CPC steht für „Compound Parabolic Concentrator“ und beschreibt eine optimierte Spiegelgeometrie, die auf einem besonders effizienten Vakuumröhrenkollektor integriert wird. Jede einzelne Vakuumröhre ist auf der Unterseite von einem CPC-Spiegel umschlossen. Die CPC-Spiegel lenken einfallende Solarenergie auf die vakuumisolierten Absorber des Solarkollektors und ermöglichen die Nutzung selbst äußerst geringer und diffuser Sonnenstrahlung.
Gegenüber den Standard-Vakuumröhrenkollektoren liegt der große Vorteil der  Vakuumröhrenkollektoren mit CPC-Technologie in der optimalen Ausnutzung der Sonnenstrahlen, die nicht direkt auf den Absorber fallen, sondern in die Zwischenräume der einzelnen Vakuumröhren gelangen. Das Vakuum der Röhren ist hier analog zur Funktionsweise einer Thermoskanne in einem hochwertigen Doppelmantelrohrglas eingebunden.
Eine Solaranlage mit CPC-Technologie spielt gegenüber einfachen Flachkollektoren – insbesondere zu Tages- und Jahreszeiten mit geringerer Strahlungsintensität – erhebliche Vorteile zugunsten eines höheren solaren Wirkungsgrades aus. Sie erreicht daher auch einen höheren Solarertrag. Durch den CPC-Spiegel erfolgt bei bedecktem Himmel und diffuser Strahlung eine Korrektur des Einfallwinkels, wobei die Strahlungsenergie auf den Brennpunkt im Röhreninneren fokussiert wird.
Die CPC- Fassadenkollektoren erreichen gerade während der Sommermonate hohe Temperaturen, die als ideale Voraussetzungen für solarthermische Kühlsysteme zur Raumkonditionierung genutzt werden können und insofern eine zusätzliche Energieeffizenzsteigerung erreichen. Über die Wintermonate erreicht ein CPC-Fassadenkollektor auf einer südlich orientierten Fassadenfläche bei tiefstehender Sonne einen höheren Energiebetrag zur Heizung als ein vergleichbarer Vakuumröhrenkollektor, der auf dem Dach integriert wurde. Die CPC-Vakuumröhrenkollektoren arbeiten auch bei tiefsten Minustemperaturen praktisch ohne Wärmeverluste. Im Vergleich mit Flachkollektoren wird in der kalten Jahreszeit Januar bis April und Oktober bis Dezember bis zu 70% mehr Energie erwirtschaftet.

Produkthersteller (Auszug)
Mit der Innovation des Vakuumröhrenkollektors „Aqua Plasma“ von Ritter Energie- und Umwelttechnik, Dettenhausen, wird eine erheblich größere Leistungsfähigkeit erreicht. Aufgrund der neuen Antireflexbeschichtung mit erhöhter Absorptionsrate ergibt sich eine Effizienzsteigerung auch bei einem diffusen Strahlungsanteil. Zudem werden die CPC-Spiegel des Vakkuumröhrenkollektors mit einem neuen Korrosionsschutz ausgeführt. Hierdurch kann bei gleichzeitiger Verbesserung der Reflexionseigenschaft eine Beeinträchtigung der Spiegelfunktionalität durch äußere Einflüsse reduziert werden.
Aufgrund dieser technologischen Innovation werden in kurzer Zeit auch bei niedrigen Einstrahlungswerten von 400 W/m2 problemlos Temperaturen von 60 bis 160°C mit hohem Wirkungsgrad erreicht, wie sie z.B. im Bereich der industriellen Prozesswärme benötigt werden. CPC-Vakuumröhrenkollektoren vom Typ „Aqua Plasma“ lassen sich zur Anhebung der Energieeffizienz unabhängig davon, ob sie zur Warmwassererwärmung oder zur Heizungsunterstützung im gewerblichen Bereich verwendet werden, auch in Heizsystemen in Ein- und Mehrfamiliengebäuden einsetzen.
Die CPC- Hochleistungs-Vakuumröhren mit perforierten Parabolspiegeln von Ritter XL Solar, Karlsbad, werden in die Elementfassade integriert. Der Spiegel bündelt die direkte Sonneneinstrahlung sowie einen Teil der diffusen Strahlung auf die Vakuumröhren und reduziert so den Wärmeeintrag der Glasfassade und gleichzeitig den Gebäudekühlbedarf um 70 bis 90%. Von außen betrachtet schimmern halbtransparente CPC-Spiegel in alle Richtungen im gleichmäßig kühlen Schwarzblau der Vakuumröhrenabsorber. Von innen erscheint das Sonnenlicht gedämpft, gleichmäßig verteilt und blendfrei, während die Perforation des Spiegels der Außenwelt dezent ein faszinierendes Muster verleiht.
Mit der Entwicklung der CPC-Vakuumröhrenkollektoren mit 58 mm starken Absorberrohren und seinen guten optischen und technischen Eigenschaften erreicht Solarbayer GmbH, Pollenfeld-Preith, sehr hohe Ertragsleistungen. Der speziell konstruierte CPC-Spiegel, der hinter den Röhren integriert wird, lenkt mit optimal angeordnetem Brennpunkt – auch bei unterschiedlichen Winkeln – die Sonnenstrahlung auf die Absorberrohre. Das Vakuum der Röhren wird dabei in einem hochwertigen Doppelmantelrohrglas eingebunden und geschützt.
Vorteile der Solarbayer CPC-Vakuumröhrenkollektoren kennzeichnen sich in einer hohen Ertragseffizienz aufgrund der hochselektive Absorberbeschichtung und langen Lebensdauer, da das Vakuum die Vakuumröhren hermetisch von Umwelteinflüssen abschirmt. Zudem lassen sich die Vakuumröhren ohne Entleerung der Solarkreise einfach wechseln.
Die Sotec-Solar, Herscheid, hat als neue Version den CPC-verspiegelten Vakuumröhrenkollektor „PkB Power K 58“ mit einem Durchmesser von 58 mm entwickelt. Er sammelt durch den kreisrunden Absorber sowohl die direkte als auch die diffuse Sonneneinstrahlung bei unterschiedlichsten Einstrahlungswinkeln. Aufgrund der kreisrunden Absorberfläche ergibt sich eine kleine Kollektorbruttofläche mit extrem hohem Energieertrag und damit eine außergewöhnlich hohe solare Deckungsrate.
Mit ihrem Funktionsprinzip erzielen die Vakuumröhrenkollektoren „CPC-Star azzurro“ und „Aqua Plasma“ von Paradigma Deutschland, Karlsbad, auch bei ungünstigen Wetterbedingungen und diffuser Strahlung hohe Erträge. Jedes Kollektormodul ist mit einer Reihe von CPC-Vakuumröhren bestückt, die Sonnenlicht mittels einer absorbierenden Schicht in Wärme umwandeln.
Beim CPC-Vakuumröhrenkollektor wird das Licht von der beschichteten inneren Glasröhre aufgenommen. Die Vakuumröhrenkollektoren bestehen aus zwei konzentrischen Glasröhren mit evakuiertem Zwischenraum. Zur Erhöhung der Energieeffizienz des Vakuumröhrenkollektors befindet sich hinter den Röhren ein hoch- reflektierender, witterungsbeständiger CPC Spiegel („Compound Parabolic Concentrator“). Die Beschichtung der Vakuumröhrenkollektoren besteht aus einer hochselektive Absorberschicht. Die einzelnen CPC-Spiegel der Paradigma Röhrenkollektoren sind so konstruiert, dass die Strahlung direkt auf die Absorberschicht gelenkt und auch der diffuse Einstrahlungsanteil wirkungsvoll in Wärme zum Heizen und zur Warmwasserbereitung umgewandelt wird.

Autor: Dipl.-Ing. Eric Theiß ist als freier Journalist mit den Themenschwerpunkten Technische Gebäudeausstattung (TGA) und rationelle Regenerativtechnologien tätig. 81369 München, dipl.ing.e.theiss@t-online.de