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von Michael Schulte
Stand: 08. August 2023
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Warum ein Solartracker?
Ein
2-achsiger Solartracker ist ein elektromechanisches Gerät, das eine feste Ebene (z.B.
ein Solarpanel oder Solarthermie-Modul) exakt im Jahres- und Tagesverlauf zur
Sonneneinstrahlung
ausrichtet.
Dabei werden Elevation (Höhenwinkel, Neigung) und Azimut (Horizontalwinkel,
Himmelsrichtung) dieser Ebene durch Stellmotoren mittels eines Steuerprogramms
so verändert,
dass die Sonnenstrahlen, z.B. auf ein Photovoltaik-Modul, stets senkrecht
fallen und so eine maximale Strahlungs- und damit Energieausbeute erzielt werden
kann (s. Grafik).
Ein 2-achsig nachgeführter Solartracker empfängt z.B. in Norddeutschland im
langjährigen Mittel
26 % mehr Einstrahlung als eine fest
ausgerichtete Anlage (mit 30° Neigung, Südrichtung).
In den Morgen-
und Abendstunden ist die Einstrahlung im Jahresmittel bis zu 70 % höher (s.
Grafik).
Wenn das Solarpanel bei bedecktem Himmel aus der astronomisch berechneten Position
in die Horizontalposition gefahren wird, steigt die mittlere Jahreseinstrahlung
um ca. 2 %.
Das hier vorgestellte
2-achsige Solartracker-Modell berücksichtigt alle relevanten Einflussgrössen (Datum, Jahrestag, exakte Uhrzeit, Ortskoordinaten,
Azimut, Elevation)
und richtet ein kleines Solarpanel vollautomatisch so exakt zur
Sonne aus, dass die Energieausbeute im Tages- und Jahresverlauf jederzeit maximiert ist.
Nach dem Sonnenuntergang im Westen wird das Solarpanel automatisch zur Ausgangsposition
(Osten) zurückgefahren.
Hier beginnt morgens bei Sonnenaufgang ein neuer Betriebszyklus.
Mein
Steuerprogramm arbeitet mit
Logarithmen, die auch in der Astronomie zur Berechnung der Sonnenposition im Tages-
und Jahresverlauf verwendet werden.
Der Solartracker wird mittels eines Netzteils
(2000 mA)
mit 7.5 Volt DC betrieben.
Für meinen Standort
(Latitude = 51.222191° Nord,
Longitude = 7.954169° Ost)
gilt:
Der maximale Höhenwinkel der Sonne über
dem Horizont (Elevation) bewegt sich von ca. 15° am 22. Dezember (Tag der Wintersonnenwende)
um 12:00 h WOZ
bis ca. 62° am 21. Juni um 12:00 h WOZ (Sommersonnenwende).
Der entsprechende Horizontalwinkel (Azimut) liegt am 22. Dezember 12:00 h WOZ zwischen etwa
128° (bei Sonnenaufgang) und 231° (bei Sonnenuntergang), und zwischen 50°
(Sonnenaufgang) und 310° (bei Sonnenuntergang) am 21. Juni.
Entscheidend wichtig für die Berechnungen ist eine hochpräzise Uhr (z.B. hier
eine "DS3231RTC" oder ein GPS-Modul), weil genaue
Sonnenpositionen hochgradig zeitabhängig sind.
Ein GPS-Modul hat den Vorteil, dass es den Solartracker ortsunabhängig macht,
indem es die notwendigen Standortkoordinaten liefert.
Ausserdem stellt es dem
Solartracker die geforderte hochpräzise Zeitinformation bereit.
Grafik: Vergleich zw. nachgeführter und fester
Aufstellung eines Solarpanels.
Pac / Pn = Verhältnis der aktuellen Leistung in kW zur Nennleistung in kWp.
Entscheidende Einflussgrössen für die Berechnung der Sonnenposition sind neben
der genauen Uhrzeit das Datum, die Tag-Nr.
des lfd. Jahres (1 - 365), die Geographische Breite (Latitude)
und die
Geographische Länge (Longitude) des Standortes.
Von allenfalls geringem Einfluss ist die atmosphärische Refraktion (Brechung
eines Lichtstrahls in der untersten Erdatmosphäre), die insbesondere bei
Sonnenauf- und untergängen den Einstrahlwinkel um maximal 1-2 Grad verändern
kann.
Weil aber die Refraktion im Toleranzbereich des Servos zur
Höhenwinkelverstellung liegt, wird sie hier bei der Berechnung der Elevation
nicht berücksichtigt.
Die Zeitgleichung ist die Differenz zwischen "Wahrer
Ortszeit" (WOZ) und "Mittlerer Ortszeit (MOZ) und wird erklärt unter: https://www.zum.de/Faecher/Materialien/gebhardt/astronomie/zeitglei.html
.
Sehr empfehlenswert zum Verständnis der
astronomischen Sonnenstandsberechnung ist auch das Buch von
Volker Quaschning: "Regenerative Energiesysteme".
Mein Solartracker-Modell
(alte Version 2018)
wurde im Januar 2022 bei
ft:pedia (1/2022, Seite 98 - 102)
vorgestellt.
