Nachführ- oder Trackingsysteme werden ein- oder zweiachsig ausgeführt. Eine Achse wandert in horizontaler Richtung, sodass das Modul bei Sonnenaufgang nach Osten zeigt und sich im Verlauf des Tages mit der Sonne nach Westen aufstellt.
Zwei Achsen der Bewegung
Diese waagerechte Bewegung folgt dem Stundenwinkel der Sonne (Azimut). Die zweite Achse rotiert in vertikaler Richtung und lehnt sich an die Sonnenbahn an (Elevation). Bei diesem Vorgang wird die Höhe der Sonne berücksichtigt.
Durch die Nachführung des Azimuts und der Elevation kann das Solarpaneel jeden beliebigen Punkt am Himmel anpeilen und den bestmöglichen Energieertrag erwirtschaften. Der mechanische Aufwand eines zweiachsigen Systems erweist sich jedoch als wesentlich höher als bei einachsiger Ausführung. Bei wirtschaftlicher Betrachtung des Trackingsystems müssen neben den Kosten für die Mechanik und Steuerung auch die laufenden Wartungskosten bedacht werden.
Da dieser finanzielle Aufwand die Gesamtkosten erhöht, ist er dem auf ihn zurückzuführenden Mehrertrag der Anlage gegenüberzustellen. Nachfolgend wird lediglich ein Vergleich zwischen einachsig nachgeführten und nicht nachgeführten Systemen gezogen.
In Solarparks mit einfacher, einachsiger Nachführung werden die Module auf einem Trägersystem mit Drehachse montiert. So lassen sie sich in horizontaler Richtung bewegen. Weil mehrere Trägersysteme mit Drehachse über eine Schubstange verbunden werden, entstehen große Flächen mit beweglichen Modulen. Durch das Verfahren werden also einige Drehachsen mechanisch gekoppelt, weshalb sich gleichzeitig die Anzahl der notwendigen Motoren reduziert.
Die Bewegung des einachsigen horizontalen Trackingsystems erfolgt in der Weise, dass die Solarmodule morgens nach Osten weisen. Im Laufe des Tages folgen sie dem Elevationswinkel der Sonne. Durch diese Methode fällt mehr Sonnenlicht auf die Panels als bei nicht nachgeführten Systemen. Den Solarmodulen steht folglich eine größere Menge an Energie zur Stromerzeugung zur Verfügung. Verdeutlicht wird dies durch den in den Abbildungen dargestellten Vergleich der Ertragskurven einer nachgeführten mit einer fest nach Süden ausgerichteten Photovoltaikanlage.
Die Kurve der nachgeführten Anlage weist nicht nur einen deutlich höheren Ertrag auf. Sie zeigt ebenfalls, dass morgens und abends Energie erzeugt wird. Vor allem bei geringem Einstrahlwinkel, also bei niedrigem Sonnenstand (Elevation), kommt es zur Verschattung der hintereinander angebrachten Paneele. Dieses Problem lässt sich ebenso durch die Nachführung beheben, indem die Module flacher gestellt werden, sodass kein Schatten entsteht. Dieser Vorgang wird Backtracking genannt.
Ermittlung des optimalen Winkels
Aufgrund der langen Lebensdauer von Solaranlagen, die für einen Betrieb von 20 Jahren und mehr konzipiert sind, müssen die Nachführsysteme robust ausgeführt sein. Darüber hinaus wünschen sich die Anwender die einfache Bedienung sowie Kalibrierung und Diagnose der Lösung. Jedes System besteht aus einer Mechanik sowie einer Elektronik, die für die Nachführung verantwortlich ist.
Für den Einsatz eines wie oben beschriebenen Systems bietet sich eine industrielle Steuerung an, die schon in anderen Branchen wie der Automobilindustrie erfolgreich verwendet wird. Phoenix Contact stellt Kleinsteuerungen ILC 1x1 der Inline-Produktfamilie zur Verfügung.
In Kombination mit vorgefertigten Funktionsbausteinen, wie sie beispielsweise in der Softwarebibliothek Solarworx erhältlich sind, lassen sich komplexe Systeme einfach und schnell umsetzen.
Für die Ermittlung des optimalen Einstrahlwinkels mit einer hohen Genauigkeit wird beispielsweise der Algorithmus nach NREL (National Renewable Energy Laboratory) genutzt, um die Sonnenposition zu berechnen. Der NREL-Algorithmus bedient sich dazu nicht nur der aktuellen Zeit sowie des Datums und der Koordinaten, sondern berücksichtigt zudem atmosphärische Werte, die den Sonnenstrahl verzerren können. Eine Neigung der Ebene des Trägersystems sowie die Rotation der Nord-Süd-Achse beeinflussen den Energieertrag ebenfalls. Auch sie muss man bei der Kalkulation des bestmöglichen Einstrahlwinkels beachten.
Ungenauigkeit ausgleichen
Während sich die Angaben zu Rotation, Neigung und GPS-Koordinaten nicht ändern, ist in zyklischen Abständen eine Zeitsynchronisation durchzuführen, um die Ungenauigkeit der Elektronik auszugleichen.
Mit den genannten Faktoren lässt sich der optimale Stellwinkel ermitteln. Dabei handelt es sich jedoch nicht um den einzustellenden Winkel der Solarmodule.
Zur Vermeidung von Schattenbildung auf den im hinteren Bereich liegenden Reihen müssen die Länge der Panels und die Distanz zwischen ihren Reihen bekannt sein. Mit einem Backtracking-Algorithmus kann dann der Stellwinkel berechnet werden, der zum Anfahren verwendet wird.
Beim Einsatz von Nachführsystemen sind noch weitere Anforderungen zu bedenken. Dazu gehört die Überwachung der Windgeschwindigkeit. Sobald der aktuelle Wert höher ist als die Windgeschwindigkeit, die maximal auf die Module und Trägersysteme einwirken darf, müssen diese in eine sichere Position aus dem Wind fahren. So wird verhindert, dass zu große Windkräfte die Solarpaneele und das Trackingsystem schädigen.
Webbasierte Konfiguration
Manuelle Vorgaben – wie das Steuern der Module über ein Steuerpult oder das Anfahren bestimmter Positionen zur Reinigung respektive Wartung – sind zusätzliche Funktionen, die jedes Nachführsystem bietet.
Unter Berücksichtigung festgelegter Prioritäten, beispielsweise Wind, manuelles Verfahren oder Tracking, wird die Sollposition der Solarpanels an die Antriebseinheit, zum Beispiel einen Contactron-Motormanager von Phoenix Contact, übergeben, der die Einheiten bewegt.
Um eine hohe Genauigkeit des Systems zu erreichen, muss die Position der Achse kalkuliert werden. Für diesen Zweck eignen sich Messsysteme, die selbst nach einer Spannungsunterbrechung sofort die Position ausgeben. Als Sensoren haben sich Präzisionspotentiometer oder Neigungssensoren bewährt.
Der Neigungssensor erfasst den Winkel der Solarmodule berührungslos, ohne in die Mechanik einzugreifen. Durch die direkte Messung lässt sich die Stellung des Paneels sofort ermitteln. Eine Referenzierung ist also nicht mehr notwendig.
Modularer Aufbau der Steuerung
Aufgrund ihres modularen Aufbaus werden die Kleinsteuerungen ILC 1x1 von Phoenix Contact als Mastereinheit genutzt, die weitere Antriebseinheiten (Slaves) ansteuert. Ein integrierter Webserver ermöglicht die Konfiguration und Diagnose des Nachführsystems. Die Unterstützung von Modbus TCP oder OPC UA vereinfacht seine Einbindung in die übergeordneten Visualisierungslösungen eines Solarparks.
Kleinsteuerungen, die sich in anderen Branchen bewährt haben, bieten sich zur Nachführung von Solarmodulen an. Spezielle Funktionsbausteine, wie sie in der Solarworx-Bibliothek für die Berechnung von Sonnenposition, Backtracking und Zeitsynchronisation zur Verfügung stehen, helfen dem Anwender. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Solarmodule stets optimal zur Sonne ausgerichtet sind und maximalen Energieertrag liefern.
Trina Solar
Nclave Renewable aus Spanien übernommen
Der Modulhersteller Trina Solar Limited hat mehrheitlich die spanische Nclave Renewable S.L. übernommen. Nclave baut und installiert Solartracker, inklusive Dimensionierung und Aufbau der Fundamente. Die Spanier haben ein- und mehrachsige Tracker in ihrem Angebot, die Projekte werden weltweit installiert. Mehrere internationale Patente werden von der Firma aus Madrid gehalten. Bisher wurden rund 2,5 Gigawatt Modulleistung mit Nclave-Trackern installiert. Die Firma hat ein Werk in Navarra (Spanien) sowie Niederlassungen auf fünf Kontinenten.
Phoenix Contact
Sunworx-Bibliothek bietet Bausteine für Funktionen
Die Kleinsteuerungen ILC 1x1 von Phoenix Contact mit integrierter Modbus-Schnittstelle eignen sich bestens für die Ansteuerung von Nachführsystemen. Eingebaute Funktionen wie ein Webserver unterstützen bei der Konfiguration und Diagnose des Systems. Vorgefertigte Funktionsbausteine der Solarworx-Bibliothek – beispielsweise für die Berechnung der Sonnenposition oder das Backtracking – vereinfachen die Erstellung der Applikation für die Hersteller von Trackingsystemen.
Der modulare Aufbau der Steuerungstechnik ermöglicht nicht nur die Umsetzung einer Master-Slave-Lösung, sondern auch den Einsatz unterschiedlicher Antriebseinheiten wie Contactron-Motorstarter oder Frequenzumrichter – und das ohne zusätzliche Module. Für die Positionserfassung stehen analoge oder inkrementale Eingangskanäle zur Verfügung. Zur Aufnahme des aktuellen Winkels der Achsen lassen sich ebenfalls verschiedene Systeme nutzen.
Der Autor
Erwin Breukelman
ist Senior Project Manager der VMM Energy Power Generation Solar bei Phoenix Contact Electronics in Bad Pyrmont. Nach seiner Ausbildung zum Elektroniker bildete er sich im Abendstudium zum staatlich geprüften Techniker fort. 1990 begann Breukelman seine Tätigkeit bei Phoenix Contact im Maschinenbau, wo er mit der Erstellung von Applikationen betraut war. Später wechselte er in die Business Unit Automation. Hier arbeitete er an Projekten in der Automobilindustrie, Logistik und Tunnelautomatisierung. Seit 2012 ist er im Bereich regenerative Energien mit dem Schwerpunkt Photovoltaik beschäftigt.
Nachgeführte Modultische werden bisher vor allen in Regionen mit hoher Einstrahlung genutzt, um die Erträge zu steigern.
Darstellung der Modulbewegung im Tagesverlauf von Ost nach West.
Vergleich der Ertragskurven einer nachgeführten mit einer fest installierten Anlage.
Backtracking vermeidet die Verschattung der hinteren Modulreihen.
Typischer Aufbau eines einachsigen horizontalen Trackersystems.
Topologische Darstellung einer Steuerungslösung für die Nachführung. Die Komponenten der Kleinsteuerungen haben sich in anderen Industriebranchen bereits bewährt.
