Solar Tracking optimiert die Ausbeute von Photovoltaikanlagen um knapp 50 Prozent

Dabei könnte sie eine strahlende Ballkönigin sein: Vorausgesetzt, man fände eine entsprechende Fläche, würde ein einziger Modulpark von 450 km x 450 km ausreichen, um den gesamten Weltstrombedarf zu decken.

Ob Dish-Stirling-Anlagen, CPV-Tracker, Solarturm- oder Parabolrinnen-Kraftwerke: Ein hydraulisches System richtet die „Spiegel“ nach dem Sonnenstand aus, um die Sonneneinstrahlung optimal zu nutzen.

Das ist natürlich nur eine theoretische, rein rechnerische Möglichkeit. In der Praxis müssen sich sowohl Entwickler als auch Einkäufer am Markt orientieren – und der ist extrem hart umkämpft. Die Preise für Module sinken unter anderem aufgrund billiger Massenfertigung in Asien kontinuierlich. Parallel dazu sinken ebenfalls die Einspeisetarife, die Freiflächenvergütung ist in Deutschland ganz weggefallen. Einige deutsche Solarunternehmen mussten bereits Insolvenz anmelden, zuletzt kündigte auch Bosch seinen Ausstieg aus dem Geschäftsfeld Photovoltaik an.

„Bosch Solar Energy ist es in den vergangenen Jahren nicht gelungen, die Wettbewerbsfähigkeit des Bereiches herzustellen. Trotz umfangreicher Maßnahmen zur Senkung der Herstellkosten im vergangenen Jahr konnten wir den Preisverfall von bis zu 40 Prozent nicht kompensieren“, konstatierte Dr. Stefan Hartung, Aufsichtsratsvorsitzender von Bosch Solar Energy, im März 2013.

Effizienz und Hochverfügbarkeit sind damit die Schlagwörter der Aufgabenstellung an die Hersteller. Und da der Wirkungsgrad der Photovoltaikmodule in den letzten Jahren stetig verbessert wurde, ist die physikalische Obergrenze schon so gut wie erreicht. Einen wirklichen Sprung in der Effizienz der Systeme bringt aktuell nur noch eine intelligente Nachführung. Denn unabhängig von den eingesetzten Modulen kann damit wesentlich mehr Energie erzeugt werden.

Vorbild: Sonnenblume

Bild: Jürgen Fälchle, Fotolia

Die Natur hat es uns vorgemacht: Zahlreiche Pflanzen, wie zum Beispiel die Sonnenblume, richten sich tagsüber nach dem Stand der Sonne. Bei der Sonnenblume funktioniert das technisch übrigens so: Unterhalb der Blüte befindet sich der „Motor“ der Sonnenblume, ein flexibles Segment, das man Pulvinus nennt. Die Zellen in diesem Bereich sind darauf spezialisiert, Kaliumionen in nahe gelegene Gewebe zu pumpen, wodurch sich der Wanddruck der Zellen ändert. Das Segment beugt sich, weil die Motorzellen an der Schattenseite aufgrund einer Zunahme des Innendrucks länger werden.

Pflanzen, die das können, sogenannte heliotrophe Pflanzen, verfolgen die Bewegung der Sonne von Osten nach Westen. Ein einfaches, aber geniales Prinzip, das sich perfekt auf die Effizienz von Solaranlagen übertragen lässt. Photovoltaikmodule, die dem Lauf der Sonne folgen, fangen mehr Sonnenenergie ein und erzeugen deshalb deutlich mehr Strom als starre Systeme.

Man unterscheidet ein- und zweiachsige Solar Tracker. Bei der einachsigen Photovoltaik- Nachführung folgt das Modulfeld der Sonne nur horizontal nach dem Anstellwinkel der Sonne (Elevation) oder vertikal nach der Sonnenbahn (Azimut). Zweiachsige Tracker können beides und haben daher die höchste Energieausbeute, weil sie jeden x-beliebigen Punkt am Himmel anvisieren können. Das lässt sich am besten an einem Beispiel zeigen. Der spanische Solarparkbetreiber Picanda Solar vergleicht seit Jahren die Erträge seiner Photovoltaikanlagen. Dabei zeigte sich, dass starr montierte Module etwa 1500 kWh/kWp erwirtschaften – während identische Module, nachgeführt mit einem zweiachsigen Tracker, weit mehr, nämlich 2200 kWh/kWp erzielen. Das ist ein Mehrertrag von 46 Prozent.

So kann ein kundenspezifischer Aufbau bei Hawe aussehen: Kompaktaggregat, Ventilsteuerung und Speicher aufeinander abgestimmt, anschlussfertig aufgebaut, geprüft und vorkalibriert. So verringert sich der Montageaufwand auf dem Solarfeld auf ein Minimum.

Der muss dann allerdings auch wirtschaftlich ausgleichen, dass Anlagen mit Nachführsystemen einen deutlich größeren Flächenbedarf haben, da sich bei einem Solarpark die Module auf den Trackern möglichst nicht gegenseitig verschatten sollten. Das gilt für jede Tageszeit und das ganze Jahr über. Einachsige Systeme sind unter dem Gesichtspunkt wiederum im Vergleich zu zweiachsig nachgeführten Trackersystemen klar im Vorteil.

Wenn Wolken die Sonne verschatten

Die Nachführung selbst wird nach zwei unterschiedlichen Prinzipien angesteuert. Bei der astronomischen Steuerung ist der Verlauf der Sonne an den verschiedenen Tagen im Jahr für den vorhandenen Standort fest in der Steuerung eingespeichert. Das bedeutet, dass die Nachführung stur dem vorgegebenen Sonnenlauf folgt, ganz unabhängig von den Umgebungsbedingungen wie zum Beispiel Wolken, die sich vor die Sonne schieben. Ein sensorgesteuerter Tracker dagegen richtet die Photovoltaikmodule immer nach dem hellsten Punkt am Himmel aus. Das muss nicht immer zwangsläufig der Punkt sein, an dem die Sonne steht. Schiebt sich eine Wolke vor die Sonne, so werden die Sonnenstrahlen beispielsweise an den Wolkenrändern reflektiert. Diese Strahlen treffen an einem anderen Punkt auf die Oberfläche der Erde. Diesen hellsten Punkt sucht der Sensor heraus und richtet die Solarmodule danach aus. Auch Reflexionen durch Schnee oder helle Flächen wie Fassaden führen zu einer abweichenden Ausrichtung. Berücksichtigen sollte man allerdings, dass eine Sensorsteuerung komplizierter und damit auch störanfälliger als eine astronomische Steuerung ist.

Mehrere Möglichkeiten gibt es auch bezüglich der Konstruktion des Antriebs der Nachführung. Neben zahlreichen Varianten elektrischer Antriebe setzen viele Investoren mit gutem Grund auf hydraulische Komponenten. Konstruktion und Bauweise sind dabei reduziert und wenig störanfällig, was die Wartungskosten erheblich vermindert. Die Lösung von Hawe Hydraulik zum Beipiel ist ein kompaktes Verstellsystem bestehend aus einem Pumpenaggregat mit direkt angebauter Steuerung. Dieses geschlossene, anschlussfertige System mit Unterölmotor und Pumpe ist durch ein Gehäuse vor Witterungseinflüssen wie Regen, Tau, Kondensation, Staub oder Verunreinigungen geschützt.

Mit Produkten aus dem Baukasten lassen sich die Bewegungsgeschwindigkeit und Kraft den tatsächlichen Anforderungen anpassen, der modulare Aufbau erleichtert zusätzlich den Zugang bei Wartungstätigkeiten. Das Tankvolumen (Nutzvolumen) kann etwa durch Verwendung von Verlängerungsstücken variiert werden. Es ist eine stehende und eine liegende Variante verfügbar. Durch den Anbau von verschiedenen Anschlussblöcken und Ventilverbänden können kompakte Systemsteuerungen realisiert werden.

Schwimmschalter sowie Temperaturschalter sind als Option für die optimale Überwachung verfügbar. Mit unterschiedlichen Produkt-Baugrößen, geringer Reibung und minimalem Stick-Slip-Effekt lässt sich so die Nachführbewegung zuverlässig und präzise steuern.

Lasthalteventile für ruckfreie Bewegungen

Die in einem Tank kombinierte Radialkolbenpumpe und Unterölmotor bietet eine Platz sparende und zuverlässige Druckölversorgung. Sie ist stehend und liegend einsetzbar und arbeitet mit einem maximalen Druck von 400 bar bei einem Volumenstrom von zehn Litern pro Minute. Der leckölfreidichte Wegesitzventilverband ist hier direkt montiert.

Dem Lasthalteventil kommt eine wesentliche Bedeutung im Hydraulik-System zu. Es dient nicht nur dem genauen Positionieren und Halten der Module, es ist außerdem gleichzeitig ein Sicherheitselement bei zu hohen Windlasten. Bei größeren Trackern mit über 100 m² Fläche können immerhin über 20 Tonnen Windlast auf die Mechanik einwirken. Von daher muss der zentrale Mastarm eines Tracker-Systems auch schnell wechselnden Windböen standhalten, die mit wuchtigem Drehmoment angreifen. Die Folge unstabiler Konstruktionen sind hohe Materialkosten, Materialermüdung und das Auftreten gefürchteter Nickbewegungen, die sowohl Nachführsystem als auch Module zerstören können.

Gedämpfte Lasthalteventile gewährleisten eine ruckfreie Bewegung und schonen damit die Gesamtkonstruktion. Diese Druckventile werden jeweils auf der Ablaufseite doppeltwirkender Verbraucher wirksam. Sie halten mit ihrer Druckeinstellung den Ablauf geschlossen und wirken dem Druck einer schiebenden, also negativen Last entgegen.

Auf der Zulaufsseite erfolgt die Entspannung nur soweit, dass die Pumpe mit einem Restdruck zum „Nachschieben“ gezwungen wird. Für das positionsgenaue und feinfühlige Ein- und Ausfahren der Hydraulikzylinder wird der Volumenstrombereich des doppeltwirkenden Lasthalteventils von möglichen 25 Litern pro Minute auf 3 l/min und weniger reduziert.

Herausforderung Sonnenkraft

Lasthalteventile sind ein wesentlicher Bestandteil von hydraulischen Antrieben für Solarenergieanlagen. Die leckölfreidichten Kegelsitzventile mit Überlastschutz sichern zuverlässig die Position der Nachführsysteme. Eine gute Dämpfung realisiert einen schwingungsarmen Betrieb und schont die Gesamtkonstruktion.

Trotz technischer, wirtschaftlicher und politischer Herausforderungen: Überall auf der Erde entstehen ehrgeizige Projekte, und jedes Jahr werden zahlreiche Solarkraftwerke fertiggestellt. Der aktuell weltweit größte Solarenergiepark ist mit einer Fläche von 630 Fussballfeldern der Solarthermie-Komplex Andasol in Spaniens Provinz Granada.

Aber wohl nicht mehr lange, denn im indischen Bundesstaat Rajasthan im Nordwesten des Landes wird bereits eine monströse Anlage geplant: Auf einer Fläche von umgerechnet 10.000 Fußballfeldern soll eine 4000-Megawatt-Anlage entstehen, deren Kapazität damit größer wäre als diejenige von drei Atomkraftwerken. Bis 2016 sollen in einem ersten Bauabschnitt 1000 Megawatt des sogenannten „Sambhar Ultra-Mega Green Solar Power Project“ fertiggestellt werden.

Nachführbare Anlagen auf der Freifläche haben zwar einen deutlich größeren Ertrag, aber auch einen höheren Platzbedarf in der Anlage. Der Flächenbedarf ist mehr als doppelt so hoch wie bei einer starr nach Süden ausgerichteten Anlage.

Nicht selten haben die Entwickler und Betreiber neuer Anlagen jedoch mit politischen Problemen zu kämpfen. In einigen Ländern dauert es Jahre, bis die Investoren Baugenehmigungen erhalten, und nicht alle Länder fördern den grünen Strom.

Aber auch aus der Perspektive der Umwelt müssen neue Wege eingeschlagen werden. So wehren sich Umweltschützer gegen die Rodung von Wäldern, um die entsprechende Freifläche für den Bau eines Solarparks zu erhalten. Die Betreiber pflanzen deshalb an anderen Stellen Wälder und siedeln Tiere und Baumbestand um.

Von daher ist und bleibt die Energiegewinnung auch bei Erneuerbaren Energien neben der technischen Entwicklung auch eine gesellschaftspolitische Herausforderung. fa

Autorin: Ragna Sonderleittner, freie Autorin für fluid