Sonnenkollektoren erreichen bei der Verwertung der Sonnenstrahlung relativ hohe Wirkungsgrade - typischerweise zwischen 60 und 75 Prozent. In Europa fallen bei Sonnenschein je nach Jahreszeit und Sonnenstand zwischen 200 und 1000 W/m² ein (siehe auch Solarkonstante).
Wichtigster Bestandteil des Kollektors ist der Absorber, der die Wärme aufnimmt und sie einem ihn durchfließenden Wärmeträger weitergibt. Mit Hilfe der Flüssigkeit dieses Wärmeträgers wird die Wärme aus dem Kollektor abgeführt und anschließend gespeichert (z.B. über Wärmeübertrager) oder direkt als Prozesswärme verwendet.
Um Wärmeverluste zu vermeiden, ist eine gute Isolierung des Absorbers gegenüber der Umgebung und auch eine Abschirmung der warmen Leitungen notwendig. Nach der Isolierungstechnik unterscheidet man
Flachkollektoren, die herkömmliche Isoliermaterialien verwenden;
Vakuumröhrenkollektoren, die die thermische Isolierung durch ein Vakuums erreichen, aber mehr als doppelt so teuer sind;
Schwimmbadabsorber, die als Niedertemperatur-Kollektoren zur Schwimmbaderwärmung verwendet werden: Sie bestehen meist aus Kunststoff und sind in der Regel überhaupt nicht zusätzlich isoliert.
Die einfachste Bauart (freilich kein Kollektor im strengen Sinn) ist ein dunkler, wassergefüllter Behälter mit großer Oberfläche. Bei Sonnenschein erwärmen sich geeignete Behälter in wenigen Stunden bis fast zur Siedetemperatur, was im Süden seit Jahrhunderten genützt wird. Sogar in Mitteleuropa kann ein gewöhnlicher Gartenschlauch Wassertemperaturen von über 60° erreichen.
Der Sonnenkollektor ist der zentrale Bestandteil einer thermischen Solaranlage, die in der Regel zur Warmwassergewinnung genutzt wird, seltener auch zur Raumheizungsunterstützung. In Verbindung mit einem Niedrigenergiehaus und einem Saisonwärmespeicher kann jedoch auch die Raumheizung vollständig mittels Solarkollektoren erfolgen.
Eine Besonderheit ist der Thermosiphonkollektor, der für Solaranlagen konzipiert ist, die ohne Pumpe nach dem Schwerkraft-Umlaufprinzip arbeiten: Im Kollektor wird Wasser erwärmt und steigt nach oben; beim Abkühlen sinkt es wieder nach unten. Umgekehrt wie bei der dasselbe Prinzip nutzenden Schwerkraftheizung muss sich der Speicherkessel daher oberhalb der Sonnenkollektoren befinden.
Der Thermosiphonkollektor hat häufig bereits einen Warmwasserspeicher integriert und stellt damit eine komplette einfache Solaranlage dar. Solche Anlagen sind vor allem in südlichen Ländern (Griechenland, Türkei, Israel) auf vielen Dächern zu finden.
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