Immer in Bewegung

Um aus einer beschränkten Fläche den maximalen Solarstromertrag herauszuholen, bieten sich verschiedene Möglichkeiten. Eine davon ist der Sonnenblume abgeschaut: Nachführsysteme bewegen die Solarmodule dem Lauf der Sonne entsprechend. Mittlerweile stehen auf dem Markt für alle Größen und Anforderungen Modelle »von der Stange« bereit.
Ob ehrgeiziger Hausbesitzer oder Solarpark-Betreiber – beide eint der Hunger nach mehr Solarstrom. Was das Hausdach oder die grüne Wiese mit geringem Aufwand hergibt, scheint oft nicht genug.

Sind auch ein passgenauer Wechselrichter und ein geeignetes Verschaltungskonzept bereits gefunden, so kommt die große Stunde der Nachführsysteme. Sie versprechen noch einmal eine Steigerung der Stromernte.

Prozente, Prozente ...

Im Jahresmittel lassen sich durch die Nachführung alleine je nach System und Standort etwa 20 bis 35% Zuwachs erzielen. Höhere Zahlenangaben sind mit Vorsicht zu genießen und beziehen sich bei näherem Hinsehen meist nur auf sonnenreiche Perioden. Kein Anbieter garantiert den Mehrertrag mit Brief und Siegel, schließlich ist dieser auch schwierig zu ermitteln. Dies liegt zum Einen daran, dass Vergleichsanlagen oft schlicht fehlen. Wer baut schon eine starre Anlage, wenn er dieselbe Fläche dazu nutzen könnte, seine nachgeführte Anlage zu erweitern? Steht die Referenzanlage aber an einem anderen Ort, so gelten auch andere Einstrahlungsverhältnisse. Ein annähernd optimaler Winkel von z.B. 45° am Standort x ist am Standort y der zweiten Anlage schon nicht mehr optimal. Nicht zuletzt setzt ein solider Mehrertrag voraus, dass die Systeme ausgereift sind und während des Betriebes keine Pannen auftreten – was leider nicht immer der Fall ist. Letztlich bleibt dem Interessenten nur, die Vergleichsmessungen des Herstellers kritisch zu prüfen oder darauf zu bauen, dass die Kosten-Nutzen-Rechnung der bisherigen Kunden aufgegangen ist.

Eine weitere Möglichkeit, die Erträge nach oben zu treiben, ist der Einsatz von Konzentratoren. Sie werden von den meisten Herstellern allerdings noch nicht serienmäßig angeboten, obwohl die Vorhersagen und erste Betriebsergebnisse vielversprechend sind. Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) schrieb dazu: »Durch Nachführung wird ein Zugewinn an Energieertrag bis maximal 40% erzielt. Durch Spiegel ist ein weiterer Zugewinn von etwa 40% erreichbar« [1]. Damit erscheinen Spiegelkonstruktionen gemessen am Ertrag besonders kostengünstig.

Einachsig oder zweiachsig?

Licht entfaltet auf Solarzellen seine Wirkung am besten, wenn es genau lotrecht auf die Oberfläche trifft. Dies ist der Fall, wenn das Modul in zwei Raumrichtungen senkrecht zur Sonne steht. Nur zweiachsige Nachführungen können das leisten. Sie berücksichtigen den täglichen Verlauf der Sonne von Ost nach West (Azimut) und die wechselnde Höhe des Sonnenstands (Elevation). Den Löwenanteil macht der korrekte Azimut-Winkel aus, der im Tagesverlauf einen Bereich von maximal 270° abdeckt. Der zweite Winkel variiert hingegen um weniger als 90°. Daher beschränken sich einachsige Nachführsysteme auf den Azimut und steigern damit den Ertrag gegenüber starren Anlagen bereits deutlich. Bei diesen Anlagen bleibt die zweite, horizontal gelegene Achse fest. Günstig ist, wenn diese zweite Achse nicht fest voreingestellt ist sondern sich frei wählen und somit an den individuellen Standort anpassen lässt.

Ob ein ein- oder zweiachsiges System das richtige ist, entscheidet meist der Geldbeutel. Die einfacheren einachsigen Systeme sind billiger und kommen bei Kleinanlagen stärker zum Zuge. Bei größeren Anlagen, insbesondere bei Solarparks, fällt die Entscheidung meist anders herum aus: Die höhere Gesamtinvestition verträgt auch die vergleichsweise teuren zweiachsigen Modelle. Denn hier bringt der zusätzliche Mehrertrag in Form der Einspeisevergütung die höheren Kosten schneller rein: Die Masse macht’s. Aber auch für den Häuslebauer kann sich die zweiachsige Nachführung lohnen, wenn er die Module nicht schon installiert hat und möglichst über ein Flachdach oder eine große, unverschattete Gartenfläche verfügt.

Steuerung und Antrieb

Grundsätzlich zu unterscheiden sind aktive und passive Nachführsysteme. Passive Nachführsysteme verbinden das Orten der Sonne direkt mit der Nachführbewegung. Bei aktiven Systemen hingegen sind diese Schritte entkoppelt. Nur die Firmen Altec und Lorentz bieten passive Systeme serienmäßig an. Basis ist in beiden Fällen ein thermohydraulischer Antrieb (siehe Kasten).

Auf dem Markt der motorischen Antriebe herrscht eine bunte Vielfalt. Die Motoren arbeiten entweder mit Gleich-, Wechsel- oder Drehstrom und reichen von einfachen Elektromotoren über Schiebestangen- bis zu Getriebemotoren. Dreh- oder Kugel-Lenkkränze, Zahnräder oder Ketten setzen die Bewegung anschließend mechanisch um und bewegen die Module. Besonders unkonventionell ist die Antriebsmethode von ATM. Die Kurpfälzer setzen auf eine zentrale Mechanik. Sie steuert mit einer Einheit bis zu 25 aufgeständerte Einzelanlagen, die es auf eine Gesamtmodulfläche bis zu 450 m2 bringen. Über ein Seilzugsystem werden die Bewegungen auf zwei Drehkreuze pro Mast übertragen.

Grundüberlegungen und Tipps

Thomas Löschmann, Entwickler und Konstrukteur bei ATM, gibt noch weitere Punkte zu bedenken: »Die Nachführung in der zweiten Achse nimmt Standfläche weg, die für weitere Masten genutzt werden könnte, weil sie die Verschattungsfläche erhöht.« Er plädiert deshalb trotz des großen Maßstabs seiner Systeme dafür, sich auf die einachsige Nachführung zu beschränken. Auch sei es günstiger, in die Fläche anstatt in die Höhe zu bauen. Die Gründe: Zum Einen verursachen höher gelegene Modulflächen eine größere Verschattungsfläche und beanspruchen zuviel Platz. Mit der Höhe der Masten steige außerdem die Windlast am Fußpunkt überproportional.

Betreiber einachsiger Nachführsysteme sollten sich auch genau überlegen, welchen Neigungswinkel sie fest einstellen möchten. Die bei Festinstallationen üblichen 45 ° lohnen sich nur, wenn die Strahlungsintensität am Mittag wirklich sehr viel stärker als am Rest des Tages ist. In strahlungsschwachen Jahreszeiten oder in »nördlicheren Breiten« ist es sinnvoller, etwa 38° zu wählen. Dann nämlich trifft die Sonne zwei Mal täglich im rechten Winkel auf: etwa 1,5 Stunden vor und nach dem mittaglichen Höchststand.
Arthur Seitz betreibt zusammen mit Roland Bartsch den Solarpark Oberndorf [2]. Er schaltet die Nachführanlage in den Monaten November und Dezember ganz aus: »In dieser Jahreszeit bringt die Nachführung so gut wie nichts, allenfalls 3%«, begründet er diese Entscheidung. »Die Anlagenteile würden nur unnötig verschleißen. Deshalb erhöht sich die Effektivität der Nachführanlage, wenn ich sie in dieser einstrahlungsschwachen Zeit ausschalte.«

Die Praxis: Erfahrungen und Probleme

Grundsätzlich aber sei die Nachführung eine sinnvolle Sache, denn der Mehrertrag sei in jedem Fall höher als der finanzielle Aufwand. »Die Nachführung hat bei uns 17% Mehrkosten gegenüber einer starren Anlage verursacht, etwa 160.000 €.« Die Gesamtleistung der Anlage liegt bei fast exakt 100 kWp. Seit die Anlage richtig funktioniert, erreicht sie einen beeindruckenden Mehrertrag: Im Einjahres-Zeitraum von Oktober 2002 bis September 2003 wurden 135.700 kWh generiert. Dies entspricht einem spezifischen Ertrag von 1.360 kWh/kWp. Schon wenn man den spezifischen Ertrag ohne Nachführung großzügig mit 1.000 kWh/kWp ansetzt und damit die Peakleistung zum Maßstab macht, liegt der Mehrertrag bei 36%. Daher erscheint die Aussage von Seitz realistisch, im Jahresschnitt etwa 44% Mehrertrag zu erreichen. Allerdings bleibt abzuwarten, ob dieser Mehrertrag auch ohne Rekordsommer in Zukunft dieses Niveau halten kann.

Als Referenzzeitraum für eine starre Anlage kommt insbesondere die Zeit von Mitte April bis Mitte September letzten Jahres in Frage – leider, muss man sagen. Denn in dieser Zeit war die Nachführung noch nicht installiert. Damals verzögerte sich die Lieferung, wofür Betreiber und Lieferant unterschiedliche Gründe sehen. In den Folgemonaten nach der Installation versagten Steuerungen, Sensorköpfe und Antriebe, wie Arthur Seitz berichtet. »Bei voller Sonne fuhren einige Anlagen permanent hin und her. Das passierte, weil Sensor und Steuerung einfach nicht aufeinander abgestimmt waren. Wir haben uns immer wieder an den Hersteller gewandt, aber der hat uns hängen lassen«, sagt Seitz. Schließlich haben sich die Betreiber ihr Wissen als Telekommunikationselektroniker (Roland Bartsch) und Elektromonteur (Arthur Seitz) zu Nutze gemacht und das Problem selbst behoben. Das eigentliche Problem liegt aber tiefer, wenn man Seitz folgt: Zum Einen basiert die Oberndorfer Nachführung auf »61 Einzelsteuerungen.« Die einzelnen Steuerungen haben eine gewisse Toleranz und reagieren deshalb unterschiedlich. »Eine Zentralsteuerung wäre billiger und effektiver«, gesteht er ein. Zum Zweiten seien Nachführungen noch keine Massenware: »Es gibt wahrscheinlich keine zuverlässige Firma, die Nachführsysteme in größerer Stückzahl liefern kann«, vermutet er. Die meisten Betriebe bestünden aus einer Hand voll Leuten – eine Größe, die der Dimension und den Problemen von Nachführsystemen kaum gerecht werden könne: »Die Firmen sind zu klein«, lautet sein Fazit. Ein robuster, aber trotzdem fein ansprechender Antrieb ist eine bleibende Herausforderung, die sich permanent in der Praxis beweisen muss.

Dennoch steht Seitz zur Nachführung und empfiehlt sie auch für kleinere Anlagen. Die private Kleinanlage – insbesondere auf dem Dach – genieße durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz schließlich eine höhere Einspeisevergütung als große Freiflächenanlagen. Dennoch bleiben Nachführsysteme für PV-Anlagen auf dem Dach bei den Herstellern die Ausnahme und stehen meist nur als Sonderanfertigung zur Verfügung. Trotz der weggefallenen KfW-Förderung für Dachanlagen besteht hier noch ungenutztes Potenzial für die Hersteller.

Martin Wieser recherchierte als Volontär in der Redaktion Sonne Wind & Wärme diesen Beitrag, der in Ausgabe 11/2003 erschienen ist. Informationen zum Branchenblatt Sonne Wind & Wärme: www.bva-solar.de.

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Fotos: Modell ST 1000 von Solar-Trak