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 - 9.0 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 (Sommersonnenwende) um 12:00 h Wahre Ortszeit (WOZ) .
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 "DS3231-RTC" 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.