Kollektorertrag und Kollektorleistung

Die Erträge die durch eine thermische Solaranlage erwirtschaftet werden können, hängen von den Sonneneinstrahlungen und der tatsächlich nutzbaren Wärmeenergie ab. In Deutschland steht pro Jahr und Quadratmeter eine Leistung von etwa 1.000 Kilowattstunden zur Verfügung. Jedoch können diese Werte je nach Wetterlage stark variieren. Der Ertrag durch die Sonnenstrahlen ist am Höchsten, wenn die Sonne in einem Winkel von 90° C auf die Erde trifft. Fällt der Winkel kleiner aus, verringern sich Strahlungsenergie und somit auch die Erträge. Auch kommt es darauf an, wie die Strahlungen der Sonne auf die Kollektoren treffen, denn auch diffuse Strahlungen und Reflektionen beeinflussen die Erträge der Solarthermie.

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Wie errechnet sich der Kollektorertrag?

Der Kollektorertrag ist die Energie, die durch die Kollektoren aufgenommen werden. Bei der Wirtschaftlichkeitsrechnung werden Wirkungsgrad und Kollektorertrag miteinander verglichen. Der Kollektorertrag wird in Kilowattstunden (kWh) angegeben und auf die jeweiligen Quadratmeter der Kollektorfläche ausgelegt, quasi Kilowattstunden pro Quadratmeter Kollektorfläche, um den Kollektorertrag im Jahr zu ermitteln.

Kosten & Nutzen einer thermischen Solaranlage - Ertrag vs. Bedarf

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Direkte und Diffuse Strahlungen

Die Summe aus direkten und diffusen Strahlungen nennt sich Globalstrahlung. Im Winter gibt es etwas weniger Globalstrahlung, im Sommer dafür mehr.
Strahlen die direkt und ungestört auf die Erde treffen, heißen direkte Strahlungen. Jedoch werden die Strahlungen auch durch verschiedene Einflüsse, wie zum Beispiel durch Wolken, die einen Teil der Strahlungen absorbieren oder Reflektionen durch die Erdoberfläche gestreut und verringern so die Erträge. Diese Strahlungen nennen sich diffuse Strahlungen. Jedoch treten auch an der Oberseite als auch an der Glasabdeckung eines Kollektors Reflektionen auf und selbst der Absorber reflektiert einen Teil des einfallenden Lichts. Dies wiederum führt ebenfalls zu einer Reduzierung des Wirkungsgrads.

Dauer der Strahlungen

Um die Erträge zu berechnen, ist jedoch nicht nur der Einfallwinkel, sondern auch die Dauer der Strahlungen entscheidend. Je nach Wohnort liegt die Jahreseinstrahldauer in Deutschland bei etwa 1.800 Stunden im Nordosten und bei 1.400 Stunden im südlichen Niedersachen.
Bei der Berechnung der Solarthermie-Erträge wird die Einstrahldauer in Wattstunden (Wh) berechnet. Die Summe an Sonnenstunden an einem wolkenfreien Sommertrag beläuft sich auf etwa 8 kWh pro Quadratmeter Fläche. An einem sonnigen Wintertag beläuft sich dieser Wert auf etwa 3 kWh pro Quadratmeter Fläche. Auf das ganze Jahr gesehen beläuft sich die Summe der Sonnenstrahlen durchschnittlich zwischen 900 kWh pro Quadratmeter in Norddeutschland und 1.200 kWh pro Quadratmeter in Freiburg. Jedoch können die monatlichen Werte der Globalstrahlungen um bis zu 50 Prozent abweichen.

Erträge durch eine Solarthermieanlage

Die Solarkonstante, also die Strahlungen die noch am äußeren Rand der Erdatmosphäre ankommen, beträgt 2.367 Watt pro Quadratmeter. Jedoch ist das nur ein kleiner Teil von der eigentlichen Strahlungsleistung der Sonne, denn durch die Kernfusion im Inneren der Sonne verschmelzen Wasserstoffatome zu Heliumatomen. Die Strahlungsintensität die dabei frei wird beläuft sich auf eine Leistung von bis zu 63.000.000 Watt pro Quadratmeter Sonnenoberfläche. Jedoch ist der Weg zu Erde sehr lang mit etwa 150 Mio. Kilometern, deshalb kommen hier bei uns lediglich 0,002 Prozent davon an.

An einem sonnigen Tag ohne Wolken, treffen je nach Region etwa 900 bis 1.000 Watt pro Quadratmeter auf die Erdoberfläche. Bei bedecktem Himmel verringert sich dieser Wert auf lediglich 50 Watt pro Quadratmeter. Die Verluste der thermischen Solaranlage liegen bei etwa 50 Prozent, womit sich die Erträge im Jahr auf etwa 450 bis 600 kWh pro Quadratmeter Kollektorfläche belaufen. Mit einem Kollektorertrag von ungefähr 450 bis 600 kWh pro Quadratmeter Kollektorfläche kann ein solarer Deckungsgrad von bis zu 60 Prozent bei der Warmwasserbereitung und bis zu 20 Prozent bei der zusätzlichen Heizungsunterstützung erreicht werden.

Ebenfalls wichtig bei der Berechnung des Kollektorertrags ist die Dachneigung und Dachausrichtung. Bei einer nicht ganz optimal südlichen Ausrichtung, kann man dies über eine geringfügig größere Kollektorfläche kompensieren.
Eine thermische Solaranlage sollte in jedem Fall richtig ausgelegt und montiert werden um höchstmögliche Erträge zu erzielen. Auch die Qualität der Anlage ist entscheidend. Außerdem sollten der Wirkungsgrad der Kollektoren und die Isolierung des Speichers optimal sein.

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Die richtige Dimensionierung der Kollektoren

Je nachdem ob Sie sich für eine thermische Solaranlage zur reinen Warmwasserbereitung oder für die zusätzliche Heizungsunterstützung entscheiden, die Kollektorfläche muss in jedem Fall richtig dimensioniert werden. Pro Person werden bei Anlagen zur Warmwasserbereitung eine Kollektorfläche (Flachkollektoren) von ungefähr 1 bis 1,5 Quadratmeter benötigt. Außerdem sollte der Speicher ein Fassungsvolumen von mindestens 80 Liter pro Person aufweisen. Der Speicher sollte auf jeden Fall die richtige Größe aufweisen, denn fällt dieser zu klein aus, kann die im Sommer gewonnene Wärme nicht gespeichert werden und die überschüssige Wärme trägt dabei nicht zum Solarertrag bei. Bei zu groß gewählten Speichern muss der Speicher an sonnenarmen Tagen durch externe Wärmezufuhr warm gehalten werden und trägt somit zur Unwirtschaftlichkeit bei. Bei thermischen Solaranlage zur Heizungsunterstützung werden pro Person etwa 2,25 Quadratmeter Kollektorfläche (Flachkollektoren) benötigt. Die Speichergröße errechnet sich aus der Quadratmeterfläche des Haushalts. Man geht ungefähr von 50 Liter Speichervolumen pro 10 Quadratmeter Wohnfläche aus. Jedoch führt die größere Kollektorfläche bei der Heizungsunterstützung zu einer Überproduktion im Sommer, erhöht jedoch damit die Erträge in der gesamten Heizperiode. Dies trägt wiederum nicht zum Solarertrag bei.

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