Letzte Aktualisierung: 27.05.2019

Solar-Tracker: Nachführsysteme für Photovoltaik-Anlagen im Expertencheck

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Was ist ein Solar-Tracker? Wie ist er aufgebaut und wie funktioniert Nachführung? Welche unterschiedlichen Nachführsysteme gibt es für die Photovoltaik und welche Vor- und Nachteile bringen sie mit?

Solar-Tracker (auch Solartracker und Suntracker genannt) sind technische Vorrichtungen, dank derer sich eine Photovoltaikanlage automatisch nach dem jeweiligen Sonnenstand richtet. Daher auch der deutsche Name Nachführsystem, das englisch „to track“ bedeutet so viel wie: „verfolgen“, nachspüren“, „nachführen“. Das Tracking gewährleistet, dass die Solarmodule stets optimal zur Sonne ausgerichtet sind, so das Maximum an Solarenergie absorbieren und in Solarstrom umwandeln. Mit einem Solar-Tracking-System sind sowohl bei kleinen als auch großen Solaranlagen überdurchschnittliche Solarerträge realisierbar. Allerdings benötigen sie auch selbst Strom zur Nachführung, was wiederum den Nettoertrag vermindert. Wir erklären Ihnen in diesem Artikel das Funktionsprinzip von Solar-Trackern. Wir gehen dabei auf unterschiedliche Tracker-Typen ein und machen Sie mit deren Vor- und Nachteilen bekannt.

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Unterscheidung von Solar-Tracker-Systemen

Die Sonne wandert im Laufe eines Tages von Ost nach West. Bei einer feststehenden Solarzelle fallen die Sonnenstrahlen daher zu jeder Tageszeit unter einem anderen Winkel ein. Die beschienene Fläche kann alle Werte zwischen 0% und 100% der eigentlichen Modulfläche annehmen.

horizontales und vertikales Tracking

Um die Stromausbeute zu erhöhen, ist es daher sinnvoll, die Solarzellen der Sonne per Solar-Tracker nachzuführen. Durch eine Drehung um die horizontale Achse zeigt das Modul Morgens nach Osten zum Sonnenaufgang, abends nach Westen zum Sonnenuntergang.

Zusätzlich kann die Solarzelle um die waagrechte bzw. vertikale Achse nachgeführt werden. Diese Nachführung berücksichtigt, dass die Sonne mittags höher am Himmel steht als morgens.

ein- und zweiachsige Tracker

Zudem werden Solar-Tracker nach der Anzahl der zur Nachführung eingesetzten Achsen unterschieden. Eine einachsige Nachführung bedeutet, dass die Solarmodule entweder nur horizontal, also waagerecht dem im Tagesverlauf unterschiedlichen Anstellwinkel der Sonne (Elevation) oder nur vertikal, also senkrecht, der Sonnenbahn (Azimut) folgen.

Zweiachsige Nachführung bedeutet entsprechend, dass das Modul sowohl Anstellwinkel als auch Azimut nachgeführt wird. Da sich die zweiachsig nachführenden Solartracker jedem beliebigen Punkt am Firmament zuwenden können, ist ihre Solarenergie-Ausbeute die derzeit höchste.

Tracker-Sonderlösungen

Tracker müssen nicht zwangsläufig auf nur einem Ständer fußen. Mittlerweile gibt es auch Sonderlösungen, die es erlauben, Module in ihrem Anstellwinkel zu variieren, die auf einem für Freiflächen typischen Unterkonstruktionstisch lagern. Dabei wird in der Regel der Azimutwinkel über eine Achse variiert.

Daneben gibt es auch sogenannte Drehhallen, bei denen das gesamt Gebäude auf einer Art Laufring steht. Ihre Tracking-Steuerung wendet das Solardach mit den Modulen immer der Sonne entgegen. Alternative Vorrichtungen lassen das Gebäude fest stehen und drehen nur das Dach gen Sonne. Solche sich drehenden Gebäude werden neben dem Solar-Tracking auch zur Optimierung des Hitze- und Wärmeschutzes eingesetzt.

Typischer Aufbau eines Ständersystems

Der am häufigsten verwendete Solar-Trackertyp besteht aus einem Ständer bzw. Mast, an dem ein Rahmengestell befestigt ist, das wiederum als Unterkonstruktion für die Solarmodule dient. Der Aufbau einer Photovoltaik-Anlage mit Solartracker-Technik ist recht unkompliziert. Diese Komponenten werden gebraucht: 

  • Ständer aus verschweißten Stahlrohren,
  • Rahmengestell aus Aluminium,
  • ein bis zwei Getriebemotoren, die das Gestell bewegen,
  • Steuerungseinheit
  • und Wechselrichterfür jeden Solartracker.

Bei einer sensorisch gesteuerten Anlage käme noch der Sensor hinzu.

Ganz wichtig: der Windmesser. Er hilft, die Anlage möglichst schadenfrei zu betreiben – denn gemäß den Herstellerangaben gilt für die meisten Anlagen eine maximale Windstärke, der sie standhalten. Ist der Wind stärker, muss man die Module in vom Hersteller vorgeschriebener Weise so aus dem Wind nehmen, dass sie einen möglichst geringen Widerstand bilden.

Steuerungsprinzipien von solaren Tracking-Systemen

astronomische Solar-Tracker

Wird ein Solar-Tracker astronomisch gesteuert, speichert man den standortspezifischen täglichen Verlauf der Sonne innerhalb eines Jahres vorab fest ein. Das Trackingsystem steuert den vorgegebenen Sonnenstand dann an, ohne sich von Wolken beeinflussen zu lassen, die sich gegebenenfalls vor die Sonne schieben.

sensorische Solar-Tracker

Mit einer sensorischen Steuerung verfolgt die Anlage stets den hellsten Punkt am Himmel, der wohlbemerkt nicht immer dem Stand der Sonne entsprechen muss. Zum Beispiel ist es an den Rändern einer Wolke, die sich vor die Sonne schiebt, heller, weil dort die Strahlen der Sonne reflektiert werden, als an der Stelle der Wolke, hinter der sich die Sonne zugleich befindet. Die reflektierten Sonnenstrahlen treffen so auch auf einen anderen Punkt auf der Erdoberfläche auf als unreflektierte Strahlen. Selbst Reflexionen, die von hellen Flächen wie Fassaden oder Schnee herrühren, berücksichtigt der Sensor. Er sucht sich automatisch den hellsten Punkt und die Solarmodule werden entsprechend ausgerichtet.

Vergleich von Tracker-Steuerungen

Die Unterscheide zwischen astronomischer und sensorischer Steuerung der Solar-Tracker werden ganz besonders deutlich, wenn der Himmel komplett wolkenverhangen ist. Die astronomische Steuerung ortet die Sonne aufgrund der im Speicher gefundenen Werte und steuert den Fundort an, ganz gleich, ob dort die dicksten Wolken hängen (wenig Licht) oder nicht. Die sensorische Steuerung dagegen richtet ihre Solarmodule optimaler Weise genau waagerecht aus, so dass der Winkel 180 Grad beträgt. So trifft alles Licht, das die Wolkendecke durchdringt, nahezu senkrecht auf die Module, die diese Stellung fast den ganzen Tag beibehalten können. Mit Hilfe sensorisch gesteuerter Solartracker lassen sich so selbst an Tagen mit extremer Witterung und ständig wechselnder Bewölkung bis zu zwei Drittel und mehr Mehrertrag „ernten“ als mit einer festmontierten Photovoltaik-Anlage.

Einsatz gemäß dem Steuerungsmodus

Aus den bisherigen Ausführungen ergibt sich auch Wissen für den optimalen Einsatz der unterschiedlich gesteuerten Solar-Tracker: In Regionen, wo das Wetter eher wechselhaft ist, erzielen sensorisch gesteuerte Solar-Tracker mit Abstand deutlich bessere Erträge. Das Gebiet der Bundesrepublik zählt zu diesen Regionen mit wechselhaften Wettern. Wer hier den Verlauf der Sonne effizient tracken will, sollte also zu einer sensorischen Steuerung greifen.

Für Photovoltaik-Anlagen, die näher am Äquator installiert werden, beispielsweise in den Mittelmeeranrainerstaaten, wo das Wetter viel beständiger ist als bei uns und die Sonne meist den ganzen Tag scheint, ohne dass sich Wolken davor schieben, rechnet sich eine astronomische Steuerung eher als die teurere sensorische Steuerung – auch wenn Letztere auch dort einen höheren Ertrag einbrächte.

Überblick zu den verschiedenen Antriebstechniken

elektromotorischer Tracker-Antrieb

Der Modultisch eines Solar-Trackers wird durch einen oder mehrere Elektromotoren nachgeführt. In einer einfachen Variante treibt der Elektromotor ein Schneckengetriebe an, das die Rotation auf die entsprechende Achse überträgt. So kann der Modultisch genau justiert werden. Alternativ kommen auch teilweise Elektrozylinder in Solar-Trackern zum Einsatz, die mittels Trapezgewindespindel und DC-Motor den Antrieb übernehmen.

Bei mehreren Solar-Trackern funktioniert damit jeder unabhängig voneinander. Demgegenüber gibt es auch Antriebstechniken, bei denen ein Motor mehrere Tracker steuert. Die Kraft wird mit dann zB mit Hilfe eines Drahtseils übertragen, welches jeweils einmal um die einzelnen Nachführgestelle gelegt wird. Der Tracker-Motor erhält von einer elektronischen Steuerung Stellimpulse. Diese werden über ein Planetengetriebe auf eine Drehspindel übertragen. Die Drehspindel wiederum bewegt das Drahtseil welches dann die einzelnen Gestelle auslenkt.

thermohydraulischer Tracker-Antrieb

Eine Alternative zum Elektromotor-Antrieb von Solar-Trackern sind passiv nachgeführte Photovoltaikanlagen mit auf Basis einer thermohydraulischen Nachführung. Der thermohydraulische Antrieb (THA) ist einfach aufgebaut, zuverlässig, energieautark und selbstregelnd, d.h. er benötigt weder eine Stromversorgung noch eine Steuerelektronik. Er bezieht seine Antriebsenergie direkt von der Sonne und richtet sich selbsttätig nach ihr aus. Es gibt zwei Arten von thermohydraulischen Solarnachführungen. Das eine arbeitet nach dem Schwerkraftprinzip - Gewichtsverlagerung durch thermohydraulische Verschiebung einer Flüssigkeitssäule, das andere nach dem hydrostatischen Prinzip - thermohydraulische Bewegung eines Stellzylinders.

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Ertrag, Kosten und Wirtschaftlichkeit von Solar-Trackern

Durch die Kombination horizontaler und vertikaler Tracking-Techniken kann die beschienene Fläche des Solarmoduls nahezu konstant bei 100% gehalten werden. Die Sonne steht immer im rechten Winkel zur Solarzelle und sieht diese direkt von oben. Die Solarstromproduktion lässt sich so erheblich steigern.

Gegenüber einer fest montierten Photovoltaik-Anlage, die nach Süden ausgerichtet ist, erwirtschaftet schon ein einachsig betriebenes Nachführsystem bis zu 30 Prozentmehr Solarertrag. Und ein zweiachsig ausgelegtes Tracker-System toppt den Mehrertrag nochmal um bis zu weitere 15 Prozent, so dass es gegenüber der fest montierten Solaranlage auf ein Brutto-Ertragsplus von bis zu 45 Prozent kommt. Alle genannten Werte sind Jahresmittelwerte.

Nachgeführte Tracking-Systeme können nur interessant sein, wenn sie einen deutlich höheren Ertrag liefern als fest ausgerichtete Systeme. Wichtiger Punkt ist daher der Stromverbrauch, der durch den Tracking-Antrieb verbraucht wird. Hier kommt erschwerend hinzu, dass sich mit einem Solar-Tracker nur hohe Energieerträge erzielen lassen, wenn die Tracking-Systeme ausreichend schnell dem Lauf der Sonne folgen, was in der Regel einen höheren Stromverbrauch bedingt.

Betrachtet man die Kosten von Nachführsystemen, so ergeben sich für aufwendige rechnergesteuerte Solar-Tracker in der Regel die höchsten Kosten. Die Betriebsdatenanalyse "Nachgeführte und stationäre Photovoltaikanlagen mit kristallinen, amorphen und CIS-Modulen" des Fachbereichs Elektrotechnik der Fachhochschule Gelsenkirchen legt jedoch den Schluss nahe, dass das Ertrag-Kosten-Verhältnis aufwändiger Solar-Tracker schlechter als das einfach konzipierter Solar-Tracker wie z. B. thermohydraulischer Nachführsysteme ist.

Vor- und Nachteile des Solar-Trackings im Vergleich

Will man die Vor- und Nachteile einer Solar-Nachführung einander gegenüberstellen, ergibt sich folgendes Bild:

Vorteile von Solar-Trackern

  • Solartracker liefern höhere Erträge als starre Photovoltaik-Anlagen.
  • Dank der typischen Befestigung auf Masten entstehen keine Probleme mit Verschattung.
  • Die Mastkonstruktion gewährt zudem eine optimale Hinterlüftung der Solarmodule.
  • Mit einem Solartracker am Mast bleibt das eigene Dach unberührt.
  • Die Mastkonstruktion ist für Wartung, Störungsbeseitigung oder Reparatur leicht zugänglich.

Nachteile von Solartrackern

  • Nachgeführte Photovoltaikanlagen auf Masten gelten als Freilandanlage – dafür bekommt man nur eine geringere Einspeisevergütung.
  • Der Bedarf an Aufstellfläche ist gegenüber starren Freilandanlagen höher, insbesondere wenn mehrere Masten aufgestellt werden soll: Diese brauchen einen recht großen Abstand um gegenseitige Verschattung ganztägig auszuschließen.
  • Tracking-Systeme sind teurer als starre Systeme.
  • Auch die Wartung und Instandhaltung kostet mehr als bei starr verbauten Anlagen. Der Grund: Die Komponenten, die für Beweglichkeit sorgen, sind meist störanfälliger.
  • Man braucht Wechselrichter, die sich für den Betrieb draußen eignen und dafür auch zugelassen sind.
  • Man braucht bei Freilandanlagen geeignete Diebstahlschutzvorrichtungen.
  • Um den hohen Windlasten zu begegnen, ist mehr Material vonnöten.
  • Der Aufwand für die Anbindung ans Stromnetz ist vergleichsweise höher.
  • Die Ersatzteilbeschaffung über die Laufzeit der Anlage, die Rede ist hier von 20 Jahren und länger, kann problematisch werden.

Vergleich starre vs. bewegliche PV-Anlagen

Im Vergleich beider Anlagentypen – starrer und beweglicher – ist der Vorteil bezüglich der Lebensdauer der starren Systeme heute kaum mehr auszumachen, der sich aus ihrer Unbeweglichkeit lange Zeit ergab. Längst haben die Tracking-Systeme nachgezogen und kommen auf ebenfalls lange Funktionstüchtigkeit. Allerdings muss man in Kauf nehmen, die Anlage alljährlich auf Herz und Nieren zu prüfen.

Solar-Tracker, die mit einem Anlagen-Monitoring ausgestattet sind und so dem Hersteller die Anlagen-Daten zur Verfügung stellen, sind hier im Vorteil. Ebenso die Betreiber, die sich für einen Vollwartungsvertrag entschieden haben, der eine beliebig über die zwei üblichen Jahre hinaus währende Garantielaufzeit ermöglicht.

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