Zweiachsige astronomische Positionierung anstatt Helligkeitssensoren Bewährte Industriestandards für die Energieerzeugung nutzen

Solar-Panels mit elektronischer Nachführungstechnik lassen sich präzise nach dem Sonnenstand ausrichten.

Trotz des derzeitigen Preisverfalls bei Solarmodulen wird sich die Nachführung von Solar-Panels nach dem Sonnenstand auch in Zukunft amortisieren. Gemäß dieser Prognose bietet Panasonic Electric Works Herstellern sogenannter Solar-Tracker ein breites Sortiment elektronischer Nachführungstechnik und nutzt dafür seine Standard-Industriesteuerungen.

»Ein großer Vorteil unserer elektronischen Nachführungssysteme liegt darin, dass sie auf Standard-Steuerungs- und -Kommunikations-Hardware beruhen«, erläutert Ralf Wohlschläger, Senior General Manager Automation Control Devices im Produkt-Management von Panasonic Electric Works Europe. »Die Intelligenz liegt nämlich komplett in der Software: Wir haben für unser IEC-61131-3-konformes Steuerungs-Programmiersystem 'FPWIN Pro’ eine Bibliothek erstellt, die alle Funktionsbausteine für die elektronische Nachführung von Solar-Panels umfasst.« Manche Nachführungstechnik-Hersteller verwenden kundenspezifisch selbstgebaute Platinen für die Steuerung: »Derartige Platinen sind meist qualitativ schlechter als Standard-Industriesteuerungen«, verdeutlicht Wohlschläger. »Zudem sind schon kleinste Programmänderungen bei den Platinenlösungen problematisch, da stets ein Wechsel der Hardware nötig ist. Die Anwendung sitzt im Speicherchip oder im Prozessor, der manuell ausgewechselt werden muss. Bei unseren Steuerungen lässt sich das Programm einfach über eine gängige Schnittstelle verändern, direkt oder über weite Distanzen mit unseren Telecontrol-Lösungen.«

Industrierobuste Steuerungen böten sich obendrein für Anwendungen im Freien geradezu an, weil sie Feuchtigkeit und extremen Temperaturen, also allen Einflüssen von Wind und Wetter, Stand hielten: »Die Steuerungen, die wir für Nachführungs-Anwendungen nutzen, wurden in der Entwicklung extremen Tests unterzogen, etwa einem 500-Stunden-Dauertest unter Volllast bei 85 °C und 85 Prozent Luftfeuchtigkeit und anschließendem Überspannungstest«, betont Wohlschläger.

Technische Details

Als Basis für die Nachführungselektronik von Panasonic dienen die Industriesteuerungen der Serien FP0, FP-X und FP-Sigma. Der mechanische Teil der Nachführungstechnik, also der Tracker als solcher, stammt von Drittherstellern. Bei dem Nachführungsverfahren von Panasonic handelt es sich um zweiachsige astronomische Positionierung, um die Solarzellen stets im 90-Grad-Winkel zum einfallenden Sonnenlicht ausrichten zu können. Je nach Kundenwunsch ist aber auch einachsige und damit preisgünstigere Positioniertechnik möglich. Die Drehachse (Azimut) ist um einen Drehwinkel von 270 Grad bei einer maximalen Genauigkeit von 0,1 Grad verstellbar, die Schwenkachse (Elevation) in einem Winkel von 0 bis 90 Grad zur Horizontalen, abhängig vom mechanischen Tracking-System. Sobald die Maximalpositionen erreicht sind, stoppen Endschalter die Ausrichtbewegung automatisch.

Die Nachführung erfolgt sensorlos mittels GPS-Positionsbestimmung: »Nachführungssysteme, die auf Helligkeitssensoren beruhen, haben immer dann ein Problem, wenn Schnee darauf liegt oder die Sonne hinter Wolken oder Nebel verborgen ist«, stellt Wohlschläger fest. »Zudem lassen sich bei GPS-gestützter Nachführung auch GPS-Zeiten empfangen und einstellen, um die Uhrzeit der Steuerung nachzujustieren und Drifteffekte zu vermeiden.« Die astronomischen Nachführungs-Algorithmen ermitteln den Sonnenstand angesichts von Tag und Uhrzeit und berechnen anhand der GPS-Positionsdaten des Solar-Panels dessen optimale Ausrichtung. Anschließend gibt die Steuerung die Stellsignale an die beiden Antriebsmotoren beispielsweise über Impulssignale weiter. Eine Rückmeldeeinrichtung in der Steuerung stellt die Positionskontrolle sicher.

Bei starker Windlast lassen sich die Solar-Panels in die Horizontale fahren, um Beschädigungen zu vermeiden. Geeignete Windmesser erfassen die Windgeschwindigkeit automatisch und senden die entsprechenden Impulssignale zur Verarbeitung an die Steuerung weiter. Anwender können jederzeit individuelle Windgeschwindigkeits-Grenzwerte setzen oder verändern, je nach der Stabilität des Solar-Trackers. Die Windgeschwindigkeits-Daten werden regelmäßig an das Leitsystem übertragen.

Um die vom Wetter abhängige Stromausbeute zu überprüfen, bekommt die Nachführungselektronik von den angeschlossenen Wechselrichtern die Ertragsdaten und verarbeitet sie. Anhand der optimalen und hinterlegten Ertragswerte erkennt die Steuerung die Differenz zum aktuellen Ertragswert und errechnet auf deren Basis die Anzahl der Nachführschritte pro Stunde. Bei Regen, Schneefall oder wolkenverhangenem Himmel wird das System nur nachgeführt, wenn mehr Energie erzeugt werden kann als verbraucht wird. Panasonic selbst stellt keine Wechselrichter her, wohl aber die dort eingebauten Relais.

Um Energie zu sparen, kann der Anwender die Anzahl der Positionswechsel parametrieren. Blitzschutzgeräte sorgen für die sichere Trennung der Elektronik auch bei Überspannung durch statische Entladungen.

Generell nutzt das Nachführungssystem für die Datenkommunikation in der Industrie verbreitete Standard-Schnittstellen, sowohl drahtgebundene als auch drahtlose. Spezielle Schnittstellen sind nicht erforderlich. Vom Wechselrichter zur Steuerung gelangen die Daten über RS-232C oder RS-485. Zwischen Steuerung und Leitsystem lassen sich die Daten auf vielerlei Art übertragen: von GPRS, UMTS oder Bluetooth über Internet oder Ethernet TCP/IP (verschiedene Protokolle, unter anderem Modbus over TCP/IP) bis hin zu Profibus, Profinet, DeviceNet oder CANopen. Mit dem »FP Web-Server« von Panasonic kann der Anwender die Steuerung per Ethernet oder Modem an das Internet oder ein Intranet anbinden. Vom PC aus vermag er dann mittels eines Standard-Browsers auf die Steuerung zuzugreifen.

Wirtschaftlichkeit trotz Preisverfalls bei Solarmodulen gegeben

»Der Preisverfall bei Solarmodulen spielt zwar für die Wirtschaftlichkeit der Panel-Nachführung eine gewisse Rolle, weil er bei den Modulen stärker ist als bei der Nachführungs-Mechanik und -Elektronik«, merkt Wohlschläger an. »Die Amortisationszeit der Nachführung ändert sich dadurch aber nicht wesentlich.« In Spanien beispielsweise erzielten nachgeführte Solar-Panels eine rund 40 Prozent höhere Energieausbeute als nicht-nachgeführte: »Die dortigen Solar-Tracker-Hersteller haben errechnet, dass sich die Nachführung innerhalb von etwa zehn Jahren amortisiert«, stellt Wohlschläger klar. »Bei einer angenommenen Lebensdauer der Panels von 20 Jahren macht man also zehn Jahre lang Gewinn.« In Deutschland sei mit Nachführung je nach Wetter ungefähr 20 bis 25 Prozent mehr Energieausbeute zu erzielen als ohne: »Hier beträgt die Amortisationszeit etwa 15 Jahre, weil auch andere Strompreise gelten«, führt Wohlschläger aus.

Dem Panasonic-Mann zufolge bringt die Nachführung bei schönem Wetter prozentual mehr Ertrag als bei schlechtem, wobei die prozentuale Ausbeute bei Schönwetter im Winter sogar wesentlich größer ist als im Sommer. »Im Winter kommt der positive Nebeneffekt hinzu, dass das Nachführungssystem die Panels auch senkrecht stellen kann, um darauf liegenden Schnee abrutschen zu lassen«, führt er aus. Außerdem kann der Solar-Tracker dem tiefen Sonnenstand in Winter folgen. Zu bedenken sei ferner, dass der Anschaffungspreis der Nachführungstechnik bei größeren Anlagen im prozentualen Verhältnis zum Panel-Preis geringer sei als bei kleinen.