Der Sonne entgegen: Positionsbestimmung für Solar-Tracking-Systeme

Angesichts steigender Energiepreise und schwindender Ressourcen bei fossilen Treibstoffen ist Solartechnik heute gefragter denn je. Unterstützt wird dieser Trend von verschiedenen Förder- und Konjunkturprogrammen, so etwa dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) oder Maßnahmen der Kreditanstalt für Wiederaufbau. Dementsprechend steigt auch die Nachfrage nach Technologien, die den Wirkungsgrad von Solaranlagen verbessern, wie etwa Solar-Tracking-Systemen, die Module oder Kollektoren dem Sonnenstand nachführen. Hier ist eine präzise Positionsbestimmung erforderlich, die auch unter Outdoor-Bedingungen funktioniert. Die Posital GmbH hat sich auf die Entwicklung und Produktion von Absolutdrehgebern und Neigungssensoren spezialisiert und bietet für diese Anforderungen passende Lösungen an. Photovoltaik und Solarthermie Es gibt zwei Möglichkeiten, aus Sonnenlicht Energie zu gewinnen: In Photovoltaik-Anwendungen dienen elektrisch miteinander verschaltete Solarzellen aus Siliziumwafern dazu, Sonnenenergie direkt in elektrische Energie umwandeln. Diese Technologie erfordert vergleichsweise hohe Anfangsinvestitionen, ermöglicht Anwendern jedoch, eine autarke Energieversorgung für Anlagen zu implementieren, bzw. ermöglicht die Einspeisung von Strom ins Stromnetz. In Sonnenwärmekraftwerken wird Sonnenenergie in nutzbare Wärmeenergie umgewandelt. Sie treibt eine Turbine an, die Elektrizität produziert. Sonnenwärmekraftwerke erreichen je nach Bauart höhere Wirkungsgrade und erfordern meist niedrigere Investitionen als Photovoltaikanlagen, ha­ben jedoch höhere Betriebs- und Wartungskosten und erfordern eine bestimmte Mindestgröße. Ein wirtschaftlicher Einsatz ist nur in besonders sonnenreichen Regionen möglich. Solar-Tracking-Systeme Sowohl in Photovoltaik-Anwendungen als auch bei Solarwärmekraftwerken bietet es sich an, den Einfallswinkel des Sonnenlichts zu optimieren, um die Energieausbeute zu erhöhen. Hierfür müssen die Anlagen mittels so genannter Solar-Tracking-Systeme dem Sonnenstand (je nach Tages- und Jahreszeit) nachgeführt werden. Die hierfür erforderlichen Komponenten bringen jedoch einen gewissen Installations- und Wartungsaufwand mit sich, der leicht die Energie-Mehrausbeute wieder zunichte machen kann. Anlagenbetreiber sollten daher besonderen Wert auf kosteneffiziente, wartungsarme Systeme legen. Hinzu kommt, dass die Tracking-Technologie für den Außeneinsatz geeignet sein muss: Photovoltaikanlagen und Solarwärmekraftwerke müssen widrigen Umweltbedingungen (z.B. Feuchtigkeit, Wind und Staub) standhalten. Nachführsysteme erfüllen zudem eine weitere wichtige Aufgabe: Bei hohen Windstärken müssen die Anlagen in einer horizontalen Position gesichert werden, um die Windlasten zu reduzieren. Ein-/zweiachsige Nachführung Die Nachführung erfolgt entweder ein- oder zweiachsig. Einachsige Solar-Tracking-Systeme erfordern einen geringeren mechanischen Aufwand und kommen mit weniger Sensoren aus. Sie können beispielsweise mit einem Single-Turn-Absolutencoder oder einem Neigungssensor mit einem Messbereich von mehr als ±50° betrieben werden. Ein Multi-Turn-Encoder ist erforderlich, wenn ein Getriebe eingesetzt wird. In den mechanisch aufwendigeren zweiachsigen Nachführungssystemen, die einen höheren Effizienzgrad erzielen, erfolgt die Nachführung nicht nur in der Horizontalen (Azimut), sondern auch in der Vertikalen. Hier können z.B. entweder zwei Drehgeber (Single- oder Multi-Turn-Ausführung je nach mechanischen Anforderungen) oder ein Drehgeber und ein Neigungssensor mit einem Messbereich von mehr als ±60° zum Einsatz kommen. Sensorlösungen aus einer Hand Die Posital GmbH verfügt über weitreichende Erfahrungen in der Entwicklung von anwendungsspezifischen Encodern. Seit Mitte der 90er-Jahre integriert das Unternehmen zudem Busschnittstellen in Absolutdrehgeber: Mittlerweile sind geeignete Ausführungen für nahezu jeden denkbaren Einsatzzweck und jedes Feldbussystem verfügbar. Die neuesten Zugänge im Produktportfolio sind zertifizierte SIL3-taugliche Drehgeber mit CANopen Safety-Schnittstelle sowie zertifizierte Ethernet/IP-Encoder. Daneben entwickelt und produziert Posital robuste, industrietaugliche Neigungssensoren, die auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen zuverlässig und genau funktionieren. Drehgeber und Neigungssensoren Drehgeber werden in der Überwachung von Nachführsystemen sowohl in der Azimut- als auch in der Elevationsachse eingesetzt. Alle Encoder der Optocode-Baureihe arbeiten nach einem bewährten optoelektronischen Abtastprinzip. Ihre Single-Turn-Sen­sorik liefert eine Auflösung von 16Bit pro Umdrehung. Bis zu 16.384 Umdrehungen (14Bit) können zusätzlich im Multi-Turn-Modus erfasst werden, sodass insgesamt ein Messbereich von 30Bit abgedeckt wird. Optocode-Drehgeber kommen ohne Pufferbatterie aus und liefern auch nach Bewegungen im stromlosen Zustand ohne Referenzfahrten stets aktuelle, absolute Positionswerte. Sämtliche Modelle sind optional als Edelstahlausführungen und mit Schutzarten bis IP68 lieferbar. Optocode-Drehgeber eignen sich besonders für Applikationen, die hohe Präzision erfordern. Eine Alternative bieten die Drehgeber der Magnetocode-Serie. Aufgrund ihrer robusten Magnettechnologie, die eine maximale Auflösung von 12Bit liefert, widerstehen diese Encoder auch rauen Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeit, Temperatur und Vibrationen. Sie sind wahlweise mit radialem oder axialem Kabelabgang sowie als Hohl- oder Vollwellenausführung verfügbar und erreichen Schutzart IP65. Die Encoder kommen ohne Getriebe und Batterien aus und lassen sich daher kostengünstig herstellen. Da zum Betreiben der zugrunde liegenden Wiegand- und Hall-Sensorik lediglich ein einzelner Dauermagnet benötigt wird, können die Elemente auf kleinem Bauraum untergebracht werden, was die Materialkosten weiter verringert. Accelens-Neigungssensoren bieten alternativ zu den Drehgebern eine einfache mechanische Integration bei hoher Positionsgenauigkeit. Sie eignen sich für die Nachführung in der Elevationsachse. Neigungssensoren von Posital bieten einen Messbereich von ±80 bzw. 360° und eine Auflösung von 0,1°. Ihre kapazitiven Sensorzellen basieren auf MEMS-Technologie (Micro-Electro-Mechanical Systems). Die Geräte ermöglichen es Anwendern, Neigungswerte direkt, d.h. ohne mechanische Kopplung mit den Antriebselementen, zu erfassen. Ein integrierter A/D-Wandler ermöglicht die Erfassung von bis zu 150 Messpunkten je Sekunde. Dies sorgt für eine effektive Filterung von Vibrationen und Stößen und reduziert die Einschwingzeit. Die Baudrate lässt sich mittels BCD-Schalter oder softwaregesteuert einstellen. Die robusten Geräte bieten Schutzart IP67.