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Verfolgung der Sonne: Tracker für Solarstromanlagen

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Solar Tracking System von NEXTracker (Bild: NEXTracker)

Ein Solartracker ist ein Gerät, das eine PV-Anlage, insbesondere eine große Anlage wie einen Solarpark, auf die Sonne ausrichtet, damit sie mehr Sonnenenergie aufnehmen kann, als dies ohne ein solches Gerät der Fall wäre. Bei der Verfolgung geht es im Wesentlichen darum, den Einfallswinkel zwischen einfallendem Sonnenlicht und einem Solarpanel-Array zu minimieren. Sonnenkollektoren können den diffusen Teil des Sonnenlichts am blauen Himmel einfangen, der auch bei Bewölkung proportional zunimmt, sowie direktes Sonnenlicht und Solartracker können die Menge der eingefangenen Sonnenenergie erhöhen. Im Allgemeinen können Tracking-Systeme im Sommer zusätzlich 50 Prozent des Sonnenlichts und im Winter 20 Prozent des Sonnenlichts erfassen. Dies ist jedoch je nach Breitengrad unterschiedlich.

Sie sind jedoch noch wichtiger für Anlagen mit konzentrierter Photovoltaik (CPV) und konzentrierter Solarenergie (CSP), in denen sie die optischen Komponenten dieser Systeme unterstützen, die auf die direkte Komponente des Sonnenlichts abzielen. Dies macht 90 Prozent der Sonnenenergie aus, daher müssen Tracker entsprechend ausgerichtet sein. Hochgenaue Tracker können eine Genauigkeit von ± 5 Grad haben, was bedeutet, dass sie mehr als 99,6 Prozent der vom direkten Sonnenstrahl getragenen Energie sowie 100 Prozent des diffusen Lichts liefern können. Diese Tracker werden jedoch in der Regel nicht von nicht konzentrierten PV-Systemen verwendet.

In den letzten Jahren wurde ihr Einsatz häufig durch die stetige Abschwächung staatlicher Anreize wie Premium-Einspeisetarife (FiT) angeregt. Da die Zahlungen für erneuerbare Energien zurückgegangen sind, haben die Projektentwickler dies durch den Versuch kompensiert, die Leistung zu maximieren.

Es gibt zwei Grundtypen von Trackern: einachsige und zweiachsige, und diese können wiederum in ihrer Form variieren, so dass es tatsächlich eine Vielzahl von Trackern gibt, die alle für bestimmte Situationen und gewünschte Leistungsniveaus ausgelegt sind.

Einachsige Tracker folgen dem Sonnenverlauf von Ost nach West, während zwei Achsen auch geneigt werden können, um den Unterschied zwischen den Sonnenwinkeln im Winter und Sommer zu berücksichtigen. In der Branche wurde die Wirksamkeit von zweiachsigen Trackern aufgrund ihrer zunehmenden Komplexität und eines relativ geringen Unterschieds bei der jährlichen Sammlung zwischen den beiden Trackertypen in erheblichem Maße diskutiert. Eine Überprüfung der Produktionsstatistik aus Ontario ergab, dass der Unterschied insgesamt nur etwa 4 Prozent betrug, was im Vergleich zu der Verbesserung durch einachsige Tracker gegenüber einem festen Array (24 bis 32 Prozent) etwas ungünstig war. Zweiachsentracker können jedoch in Situationen, in denen die Atmosphäre nur sehr wenig verschmutzt ist („hohe Klarheit“), eine Produktion von 40 bis 45 Prozent über einer festen Dachanordnung erreichen. Leider leiden die meisten Regionen in Industrieländern unter einem Clearness Index von 0,5 oder schlechter.

Zweiachsentracker im PV-Werk Sevilla in Spanien (Bild: afloresm, Flickr)

Horizontale einachsige Tracker haben eine Drehachse, die relativ zum Boden horizontal ist. Dies bedeutet, dass die einzige Anforderung hinsichtlich des Abstands darin besteht, die Drehachsen parallel zueinander zu halten. Einige horizontale einachsige Tracker verfügen über geneigte Module, die Platz sparen und so die Gesamtkosten des Projekts minimieren können. Tracker mit Rotationsachsen zwischen horizontal und vertikal werden als gekippte einachsige Tracker bezeichnet. Sie haben typischerweise die Fläche des Moduls parallel zur Rotationsachse ausgerichtet

Vertikale Einachsentracker sind in hohen Breiten tendenziell effektiver als Horizontalachsentracker. Sie haben normalerweise das Modul in einem Winkel relativ zur Rotationsachse geneigt, wodurch ein Kegel, der rotationssymmetrisch um die Rotationsachse ist, überstrichen wird.

Tip-Tilt-Zweiachsentracker (TTDATs) sind an Stangen montiert, wobei sich die Ost-West-Bewegung mit einem T- oder H-förmigen Lager um die Stange dreht und eine vertikale Drehung ermöglicht.

Bei Azimut-Höhen-Doppelachsen-Trackern (AADATs) ist die Azimutachse senkrecht zum Boden. Sie verwenden einen großen Ring, der am Boden montiert ist, wobei das Array auf Rollen montiert ist. Dies bedeutet, dass das Gewicht des Arrays eher auf einen Teil des Rings als auf den Pol verteilt ist, wodurch sie wiederum viel größere Arrays tragen können. Der Durchmesser des Rings bestimmt jedoch den Abstand und dies kann wiederum die Dichte der Arrays verringern.

Ein passiver Tracker verwendet eine Druckgasflüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt, um sie herumzufahren und Ungleichgewichte zu korrigieren. Diese Systeme verwenden auch Shader / Reflektoren, die auf Sonnenlicht am frühen Morgen reagieren, um das Solarpanel zu „wecken“ und es in Richtung Sonne zu neigen.

Schließlich gibt es einen chronologischen Tracker, der eine Solaranlage in die entgegengesetzte Richtung wie die Erdrotation dreht.

Tracker, die über ein System von Motoren und Getriebezügen um das Solarpanel herum gerichtet sind. Diese werden von einer Steuerung bedient, die auf die Richtung der Sonnenbewegung reagiert. Sie verwenden auch Drehantriebe (ein Drehantrieb ist eine Art Getriebe, das radiale und axiale Lasten aufnehmen kann), um ihre Bewegung zu steuern. In einer CSP-Anlage (Concentrated Solar Power) werden zweiachsige Tracker von einem zentralen Computer gesteuert und verwalten bewegliche Spiegel, sogenannte Heliostaten, die das Licht zum zentralen Kraftwerk reflektieren.

DeSoto Next Generation Solar Energy Center der Florida Power & Light Company in Arcadia, Florida, basierend auf dem SunPowerAE TO-Tracking-System (Bild: Usina Fotovoltaica, Flickr)

Es gibt auch Unterschiede in der Art und Weise, wie sie installiert werden. Zum Beispiel benötigt ein „schwimmendes Fundament“ keine konkreten Fundamente, da es nur auf dem Boden liegt, normalerweise auf einer Kiespfanne. Dies bedeutet, dass sie auf Deponien oder an anderen solchen Standorten installiert werden können, wodurch die Anzahl der Standorte erhöht wird, an denen sie verwendet werden können.

Tracking eignet sich hauptsächlich für große gewerbliche und industrielle Solaranwendungen und weniger für Dachsysteme in Wohngebieten. Wenn Tracking-Systeme auf Dächern von Wohngebäuden installiert werden, müssen sie vom Dach versetzt sein, um die Bewegung der Paneele zu ermöglichen. Dies wiederum erhöht die Windlast und erfordert ein teures Regalsystem. Es gibt auch ästhetische Überlegungen, die relevant sein können. Selbst an großen Standorten erfordern Tracker die Verwendung eines größeren Bereichs als feste Systeme, da die Bewegung der Paneele Schatten auf anderen Paneelen erzeugen kann, wenn sie nicht in angemessenem Abstand voneinander angeordnet sind. Die kombinierten Vorteile von Solar Tracking, verbesserten Solarzelleneffizienzen und innovativen Fortschritten wie Dünnschicht haben zweifellos dazu geführt, dass die Solarenergie näher an die Netzparität mit fossilen Brennstoffen heranrückt, sagen einige innerhalb weniger Jahre.

Das Hauptproblem bei Trackern ist, dass sie die Kosten erhöhen. Wenn ein Tracking-System die Projektkosten um 25 Prozent erhöht und gleichzeitig die Leistung um 25 Prozent verbessert, kann argumentiert werden, dass das gleiche Leistungsniveau einfach durch Erhöhen der Systemgröße erreicht werden kann. Dadurch entfällt auch die zusätzliche Wartung, die für das Tracking-System erforderlich ist. Da die Kosten für Solar weiter sinken, kann die Kosteneffizienz der Installation eines Nachführsystems sinken. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Motoren des Nachführsystems kontinuierlich gewartet werden müssen. Hier bieten innovativere Systeme einen entscheidenden Vorteil. Dies ist in der Branche weithin anerkannt. Zum Beispiel argumentierte Scott Dailey, Tracker-Projektmanager bei First Solar, im Gespräch mit Renewable Energy World im Jahr 2013, dass zweiachsige Tracker nur in Märkten mit hohen Einspeisetarifen (FiT) wirklich eingesetzt werden, da die Einnahmen durch Maximierung der Leistung gesteigert werden neigt dazu, höhere Betriebs- und Wartungskosten auszugleichen.

Als sie zum ersten Mal auf den Markt gebracht wurden, waren Tracking-Systeme normalerweise ziemlich sperrig und unzuverlässig. Viele der während des Einspeisetarifs (FiT) in Europa installierten Tracker litten unter großen Zuverlässigkeitsproblemen, manchmal mit wiederholten Ausfallfällen. Laut MJ Shaio, Senior Analyst bei GTM Research, waren bis vor einigen Jahren die einzigen Entwickler, die Tracker installieren wollten, allgemein diejenigen, die bereit waren, ein viel höheres Risiko einzugehen.

In jüngerer Zeit sind Tracker jedoch weitaus innovativer geworden. Verwenden Sie beispielsweise GPS, um sich automatisch neu auszurichten. Unternehmen wie NEXTracker integrieren Steuerungssysteme in ihre Tracker, die den Winkel jeder Reihe von Solarmodulen in Echtzeit überwachen und über die Tracking-Genauigkeit berichten, damit die Module immer direkt in die Sonne zeigen. Das NX Horizon-Produkt des Unternehmens ist ein autarker Tracker (SPT) mit einem in sich geschlossenen Motor, der den Einsatz in jeder Reihe von Panels ermöglicht, wodurch Verkabelung und Grabenbildung vermieden und Strom gespart werden.

Leider hat es ein anderes innovatives Tracking-System, QBotix, nicht auf den Markt gebracht. QBotix bestand aus 200 Trackern mit Robotern. Die Idee war, dass jeder Roboter mit einer Einschienenbahn, in die Ladepunkte für die eingebauten Roboter eingebaut sind, zu jedem Tracker fährt. Die Einschienenbahn trägt auch die Verkabelung für das gesamte System, wodurch die Notwendigkeit eines Grabens entfällt. Die Roboter passten die Tracker den ganzen Tag über alle 40 Minuten individuell an und sammelten außerdem Leistungs- und Zuverlässigkeitsdaten, mit denen sie die Tracker optimieren konnten. Das klingt ziemlich beeindruckend, außer dass das Unternehmen im August letzten Jahres auseinander fiel.

Innovative Entwicklungen in der Solarverfolgung machen sie jedoch insbesondere in Gebieten mit hoher Sonneneinstrahlung viel attraktiver. Mit der Verbesserung der Technologie beginnen auch die Wartungskosten zu sinken. In mehr Projekten werden jetzt Tracker verwendet, und der Markt wächst. Tatsächlich deuten aktuelle Prognosen auf einen Tracking-Markt im Wert von 6 Milliarden US-Dollar bis 2020 hin. Das ist ziemlich beeindruckend.


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