Der Jahresweltenergiebedarf der Menschheit könnte durch die Sonneneinstrahlung innerhalb einer halben Stunde gedeckt werden. Die Sonne schenkt uns so viel Energie, von der wir nur einen kleinen Bruchteil zu nutzen gelernt haben. Um den Energieertrag der Sonneneinstrahlung zu erhöhen und die Umwelt mehr zu entlasten, sollte der Wirkungsgrad der Solaranlagen erhöht werden.

Die Sonneneinstrahlung in Deutschland beträgt ca. 1000 W/m2. Dabei liegt die Energieausbeute bei ca. 100-120 W/m2 bei den Photovoltaikanlagen und ca. 500-600 W/m2 bei den thermischen Solaranlagen. Die Monate im Sommerhalbjahr (April bis September) sind die einstrahlungsrelevanten Monate, auf die etwa 75% der Jahreseinstrahlungssumme entfallen. Gleichzeitig ist zu bedenken, dass die EU bei Neubauten die Einführung des Nullenergiehauses bis zum Jahr 2025 als Standard anstrebt.

Bei der herkömmlichen Photovoltaikanlage wird der Wirkungsgrad wegen der Erhitzung von Halbleiterzellen um bis zu 30 % gesenkt. Der Anlagepreis wird im Wesentlichen vom Preis der Photozellen bestimmt. Die thermischen Solaranlagen sind zwar wesentlich günstiger als die photovoltaischen, lassen aber den „elektrischen“ Teil der Sonneneinstrahlung außer Acht.
Um die Vorteile der herkömmlichen Anlagen hervorzuheben und die Nachteile zu mindern, wird ein Hybrid- bzw. Kombikollektor entwickelt. Eine größere Energieausbeute lässt sich auf folgendem Wege erreichen. Die gesamte Sonneneinstrahlung wird durch einen Strahlungsbündler eingefangen und geteilt weitergeleitet – der „elektrische“ Teil wird auf die photovoltaische Zelle konzentriert und der „thermische“ Teil durch die Wände des Strahlungsbündlers auf die wärmeabführenden Leitungen (zweiter Kreis) durchgelassen. Die photovoltaischen Zellen werden mit einem anderen wärmeabführenden Kreis (erster Kreis) auf die optimale Temperatur abgekühlt, wobei diese thermische Energie für die Vorwärmung des zweiten Kreises benutzt wird. Die Wände des Bündlers sind mit einer Nanobeschichtung versehen, mit deren Hilfe die Teilung der Sonneneinstrahlung geschieht.

Modell vom Kombikollektor. Schnitt rechts

Die Zwischenräume zwischen den Strahlungsbündlern haben eine wesentlich größere Grundfläche (n-fach, im dargestellten Modell 20-fach) als die Fläche der photovoltaischen Zellen. Dies bringt mit sich die Kosteneinsparung für photovoltaischen Zellen (bei gleicher oder höherer Leistung). Die Zwischenräume zwischen den Strahlungsbündlern sind in beiden Richtungen mit wärmeabführenden Leitungen versehen. Dadurch wird die Effizienz beim Auffangen von thermischer Energie höher als bei den herkömmlichen Solaranlagen.

Modell vom Kombikollektor. Schnitt links.

Als Alternative (s. Gesamtbild) ist links ein länglicher Bündler dargestellt. Aus Herstellungsgründen dürfte es einfacher sein, die Strahlungsbündler auf die
gesamte Länge des Kollektors zu fertigen (obwohl die Bestrahlung der photovoltaischen Zellen sowie die gesamte Effizienz der Anlage kleiner wird).

Folgende Vorteile ergeben sich mit dem Kombikollektor:
1. Die Effizienz der Photozellen wird alleine wegen der aktiven Kühlung um bis zu ca. 25% – 30% erhöht.
2. Die Einstrahlungsintensität kann (je nach ausgewählter Geometrie des Trichters) n-fach erhöht werden (im Modell nur durch den Konzentrator 20-fach).
3. Eine Steigerung der thermischen Anteile der Energieausbeute, da das Medium des 2.Kreises von dem Medium des 1.Kreises vorgewärmt wird.
4. Ein Abwerfen der Sonnenenergie (besonders in Sommermonaten) wird wegen der selektiven Beschichtung des Trichters nahezu vollkommen verhindert.
5. Wesentlich geringere Kosten von Halbleiterelementen (je nach Geometrie des Trichters, im Modell 20-fach).
6. Mit dem von mir entwickelten Kombikollektor kann ein „Blockheizkraftwerk“ z.B. eine Siedlung zumindest mit thermischer Energie komplett versorgt werden, wenn an die Anlage eine Wärmepumpe angeschlossen wird (deren Jahresarbeitszahl – COP – damit wesentlich erhöht wird). In Sommermonaten lässt sich noch zusätzliche elektrische Energie gewinnen.
7. Die Anlage lässt sich komplett in die Dach- und Wandkonstruktion integrieren. Auf die übliche Bedachung und Wandverkleidung kann verzichtet werden. Die Anlage kann so konzipiert werden, dass das Gebäude komplett mit elektrischer und thermischer Energie versorgt und Energie noch ins Netz eingespeist werden kann.
8. Mit der Entwicklung der Energiespeicherungstechnik (Batterien) wird es auch möglich sein, die autonome Energieversorgung des Nutzers zu gewähren.
9. Eine Stilllegung der Solaranlage wegen des hohen thermischen Energieertrages in Sommermonaten entfällt, denn es entsteht ein viel größerer elektrischer Energieertrag.
10. Deutlich größere Energieausbeute und höherer Wirkungsgrad der gesamten Anlage, also eine deutlich bessere wirtschaftliche Nutzung der Sonnenenergie.

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