In der sich rasch wandelnden Landschaft der erneuerbaren Energien, Sonnennachführsysteme sind für die Maximierung des Wirkungsgrads von Photovoltaik (PV) und konzentrierter Solarenergie (CSP) unverzichtbar geworden. Im Gegensatz zu fest installierten Anlagen ist eine Solartracker passt die Ausrichtung von Sonnenkollektoren um dem Sonnenverlauf zu folgen und so den Energieertrag je nach geografischem Standort und Nachführsystem um 20% bis 40% zu steigern. Das mechanische Herzstück jedes Solartracking-System Dahinter verbirgt sich ein sorgfältig ausgewähltes Antriebssystem – in der Regel elektrische Linearantriebe für die Neigungsverstellung und Schwenkantriebe (Rotationsantriebe) für die Azimutdrehung. In diesem Artikel wird erläutert, wie diese unterschiedlichen Antriebstechnologien als „Muskelkraft“ hinter einachsigen, zweiachsigen und konzentrierten solarthermischen Nachführsystemen fungieren, wobei konkrete Produktbeispiele ihre Integration veranschaulichen.

Einachsig Solar-Tracker stellen aufgrund ihres günstigen Verhältnisses zwischen Energiegewinn und Kosten die vorherrschende Bauweise bei Großanlagen dar. Bei diesen Systemen werden die Module entlang einer Bewegungsachse – in der Regel der Nord-Süd-Achse – gedreht, um der Ost-West-Bewegung der Sonne zu folgen (Azimutnachführung). Die bevorzugte Leistungseinheit für horizontale einachsige Nachführsysteme ist die Schwenkantrieb, eine abgedichtete Getriebebaugruppe, die ein Schneckengetriebe, ein Schwenklager und einen Elektromotor zu einer einzigen robusten Einheit vereint.

Schwenkantriebe eignen sich hervorragend für einachsige Anwendungen, da sie gleichzeitig axiale und radiale Belastungen sowie Kippmomente aufnehmen und dabei ein präzises Drehmoment liefern. Zum Beispiel der Vertikaler Schwenkantrieb VH7 Das von Hostboks hergestellte Produkt wurde speziell für horizontale einachsige Anlagen mit 60 bis 80 Modulen entwickelt und bietet ein Ausgangsdrehmoment von 6,3 kN·m bei einem Haltemoment von 45 kN·m sowie Schutzart IP65 für eine Lebensdauer von 25 Jahren im Freilandbetrieb. Sein sanduhrförmiges Schneckenrad-Design sorgt für einen Kontakt über mehrere Zähne und gewährleistet so eine hohe Steifigkeit sowie Selbsthemmung, wodurch bei starkem Wind keine zusätzlichen Bremsmechanismen erforderlich sind. Ebenso ist die SC9-Schwenkantrieb Das Modell „from Coresun Drive“ ist für Konfigurationen mit 12 bis 16 Modulen optimiert, bietet ein Übersetzungsverhältnis von 61:1 und ist mit 24-V-Gleichstrom-, 220-V-Wechselstrom- oder 380-V-Wechselstrommotoren kompatibel, wodurch es sich an unterschiedliche Projektgrößen und elektrische Standards anpassen lässt.

Bei geneigten einachsigen Nachführsystemen – die vor allem in Breitengraden über 40 Grad bevorzugt werden, wo die saisonalen Elevationswinkel stark variieren – sind die Schwenkantriebe an den Drehpunkten der Drehmomentrohre angebracht. Die SE9-Schwenkantrieb Ein Beispiel für diese Anwendung ist das Produkt von XZWD, das geschlossene Gehäuse mit doppellippigen Drehwellendichtungen bietet, die Staub, Feuchtigkeit und Temperaturextreme von -30 °C bis +70 °C standhalten. Diese Antriebe drehen die gesamte Modulreihe in einem Nachführbereich von ±45° bis ±60° mit einer Genauigkeit von unter 0,1° und sorgen so dafür, dass die Module den ganzen Tag über optimale Einfallswinkel beibehalten.

Bei Anlagen, bei denen eine maximale Energiedichte von entscheidender Bedeutung ist – wie beispielsweise in Regionen in hohen Breitengraden, bei der konzentrierten Photovoltaik (CPV) oder bei solarthermischen Kraftwerken –zweiachsige Solar-Nachführsysteme sowohl den Azimut (horizontale Drehung) als auch die Elevation (vertikale Neigung) nachführen. Dieser Ansatz der vollständigen Nachführung kann die Stromerzeugung im Vergleich zu festen Montagen um über 35% steigern, erfordert jedoch eine ausgefeiltere Antriebsstrategie, bei der sowohl Schwenkantriebe als auch Linearantriebe kombiniert werden.

Die vorherrschende zweiachsige Konstruktion nutzt eine Schwenkantrieb für die Azimutdrehung am Fuß des Hauptmasts, während ein elektrischer Linearantrieb übernimmt die Höhenverstellung. Der Schwenkantrieb trägt das gesamte Gewicht der Anlage und hält den durch Wind verursachten Kippmomenten stand, während der Linearantrieb die präzise lineare Push-Pull-Bewegung liefert, die zum Neigen des Panelrahmens erforderlich ist. Laut einer technischen Studie der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie ermöglicht diese Hybridkonfiguration eine Drehung der Azimutachse um ca. 280–310°, während die Elevationsachse eine Neigungsbewegung von 0–60° erreicht, wodurch der tägliche und saisonale Sonnenlauf vollständig nachgeführt wird.

Ein eindrucksvolles Beispiel aus der Wirtschaft ist das BOFU Mini-Solar-Tracker mit zwei Achsen, konzipiert für den Einsatz in Privathaushalten oder in kleinen landwirtschaftlichen Betrieben mit 2–6 Solarmodulen. Dieses System nutzt eine Schwenklagerantrieb für die horizontale Drehung (±90°) und eine Linearantrieb mit einer Schubkraft von 2000 N für die Neigungssteuerung (0–60°). Die Steuerung berechnet die Sonnenposition in Echtzeit mithilfe astronomischer Algorithmen und GPS und steuert beide Antriebe so an, dass die Ausrichtung der Paneele synchronisiert wird. Nachts bringt der Linearantrieb die Paneele in eine flache Verstauposition zurück, wodurch die Windbelastung und die Verschmutzung verringert werden. Die gesamte Baugruppe wiegt nur 90 kg und erreicht die Schutzart IP56, indem der Schwenkmotor im Inneren der unteren Säule verborgen ist – ein Design, das verdeutlicht, wie kompakte Hybridantriebe die zweiachsige Nachführung für dezentrale Energieerzeugung zugänglich machen können.

Bei größeren zweiachsigen Systemen für Gewerbe und Industrie ist die SVH3-Zweiachs-Schwenkantrieb Der Antrieb von Coresun vereint sowohl die Azimut- als auch die Elevationssteuerung in einer einzigen Baugruppe. Diese 3-Zoll-Präzisionsbaugruppe liefert ein Ausgangsdrehmoment von 716 N·m bei einer Genauigkeit von ≤0,2° und nutzt dabei die patentierte Sanduhr-Schneckentechnologie zur Selbsthemmung und Spielkompensation. Solche integrierten Antriebe sind besonders wertvoll für CPV- und Solar-Parabolspiegel-Konzentratoranwendungen, bei denen eine Nachführgenauigkeit im Subgradbereich unerlässlich ist, um die Fokussierung aufrechtzuerhalten.

Über die herkömmliche Photovoltaik hinaus, Sonnennachführsysteme spielen eine entscheidende Rolle in konzentrierten solarthermischen (CSP) Anlagen und konzentrierten photovoltaischen (CPV) Systemen. Diese Technologien erfordern eine außergewöhnliche Nachführgenauigkeit – oft im Bereich von ±0,1° –, da der Konzentrator das Sonnenlicht präzise auf einen Empfänger oder eine Mehrfachsperrschichtzelle bündeln muss. In solchen Szenarien sind Schwenkantriebe mit hohen Untersetzungsverhältnissen und spielfreier Konstruktion unverzichtbar.

Die Vertikaler Schwenkgetriebemotor VH9 Es bietet ein Übersetzungsverhältnis von 61:1 mit einem Abtriebsdrehmoment von 6.405 N·m und einem Haltemoment von 56 kN·m und eignet sich damit für große Parabolrinnen und Solarspiegel mit einem Gewicht von mehreren Tonnen. Seine Konstruktion aus 42CrMo-Legierungsstahl und die zweischichtige Epoxid-Zink-Pulverbeschichtung bieten Korrosionsbeständigkeit der Klassen C3–C5 für Wüsten- und Küstengebiete, in denen CSP-Anlagen üblicherweise errichtet werden. Für Heliostatfelder in CSP-Anlagen mit zentralem Turm kommen Anordnungen kleinerer Schwenkantriebe zum Einsatz – wie beispielsweise der SE7 geschlossener Schwenkantrieb—eine individuelle Spiegelsteuerung ermöglichen, sodass jeder Heliostat die Sonne unabhängig nachverfolgen und den Strahl mit einer Genauigkeit im Milliradian-Bereich auf den zentralen Empfänger lenken kann.

Unabhängig vom Antriebstyp sind moderne Solar-Tracker Sie nutzen intelligente Steuerungssysteme, um die Bewegungen zu koordinieren. Die Steuerungen setzen in der Regel 32-Bit-Mikrocontroller ein, auf denen astronomische Algorithmen laufen, die die Sonnenposition anhand von GPS-Koordinaten, Datum und Uhrzeit berechnen. Diese Befehle im offenen Regelkreis werden häufig durch Rückmeldungen im geschlossenen Regelkreis ergänzt, die von Lichtsensoren oder Drehgebern stammen, die in die Schwenkantriebe und Linearantriebe integriert sind.

Auch die Kommunikationsinfrastruktur hat sich weiterentwickelt. Die SAST-Einachs-Nachführsystem Das System von Kseng Energy verfügt über das RS485-Modbus-Protokoll zur Steuerung der Aktuatoren sowie über optionale Bluetooth-, WLAN- oder 4G-Konnektivität für die Fernüberwachung. Windsensoren lösen automatische Einfahrprotokolle aus – Schwenkantriebe bringen die Anlagen in die Neutralstellung zurück, während Linearantriebe zweiachsige Module flach legen –, um die mechanischen Komponenten vor Windgeschwindigkeiten von über 37 m/s zu schützen. Nacht-Rückstellmodi sorgen dafür, dass die Module vor Tagesanbruch nach Osten ausgerichtet sind, wodurch Energieverluste am Morgen während der Neuausrichtung der Nachführsysteme vermieden werden.

Die Entwicklung der Sonnennachführsysteme ist untrennbar mit den Fortschritten in der Antriebstechnik verbunden. Schwenkantriebe sind in Einachs- und Azimutanwendungen führend, da sie ein hohes Drehmoment, eine hohe Tragfähigkeit und eine wartungsfreie Langlebigkeit in abgedichteten Gehäusen bieten. Linearantriebe sorgen für die präzise, energieeffiziente Linearbewegung, die für die Höhenregelung bei zweiachsigen und kleinen Nachführsystemen unerlässlich ist. Zusammen ermöglichen diese Antriebseinheiten Solar-Tracker um passive Solarmodulfelder in dynamische Energiegewinnungsanlagen zu verwandeln und den Wirkungsgrad von PV- und CSP-Anlagen bis an ihre theoretischen Grenzen zu steigern. Angesichts der weltweit steigenden Nachfrage nach sauberer Energie wird die Synergie zwischen robuster mechanischer Ansteuerung und intelligenter Steuerung auch weiterhin die nächste Generation von Solarpanel-Nachführsystem Technologie.