Solar Tracking Systeme und Sensoren

Mit welchen Technologien werden wir zukünftig Strom generieren? Dies ist eine zentrale Frage nicht nur in der Politik, sondern auch in der Forschung und in der Gesellschaft. Da dabei auch die Wettbewerbsfähigkeit eine wichtige Rolle spielt, kommt es letztendlich auf die Stromgestehungskosten (LCOE) an.

LCOE = Summe aller Kosten eines Kraftwerks / Summe Strom über die gesamte Lebensdauer

Aus diesem Grund konzentrieren sich die Unternehmen darauf, einen niedrigeren LCOE im Vergleich zur konventionellen Stromerzeugung zu erreichen. Der größte Vorteil der Erneuerbaren ist, dass keine Kosten für Treibstoff (z.B. Sonnenlicht, Wind, Wasser) entstehen.

Solarpanel eines CSP Solar-Kraftwerks

Solarenergie

Anhand der Solarenergie lässt sich die Auswirkung von Sensorik auf die Ausbeute gut aufzeigen. Zuallererst müssen wir hier zwischen zwei Arten der Stromerzeugung unterscheiden:

  1. Der Photoelektrische Effekt wandelt Sonnenlicht direkt in Strom (Photovoltaik PV).

  2. Die Strahlung der Sonne erzeugt Wärme, die letztlich über Wassserdampf elektrischen Strom generiert (Solarthermie ST)

Nachführsysteme (Solartracker) richten sowohl Photovoltaik-Module als auch Reflektoren oder Spiegel zur Sonne aus. Dies führt einerseits zu einem höheren Wirkungsgrad. Andererseits ergeben sie steigende Kosten für das System. Daher berechnen Ingenieure und Planer sorgfältig, ob ein Nachführsystem (ein-achsig oder zwei-achsig) zur Senkung der gesamten Kosten beiträgt. Da auch die jährlichen Kosten für die Wartung und den Betrieb Teil der Berechnung sind, kann als Folge eine Festinstallation in Frage kommen.

Ein­achsige Tracker für die Solar­energie

Nachführsystem

Einachsige Systeme zur Nachführung richten einerseits Photovoltaik-Module und andererseits Parabolrinnen oder lineare Fresnel-Kollektoren an der Sonne aus. Erstens von Ost nach West und zweitens über den Tagesverlauf am Stand der Sonne. Abhängig von der geforderten Nachführ-Genauigkeit lösen verschiedene Sensoren diese Aufgabe.

  • Dafür verwenden die meisten Photovoltaik-Tracker elektrische Linearantriebe, in denen sehr oft induktive Sensoren die Position rückmelden. Dadurch sind sie Kosten optimiert und gehören zum Standard in den Stellgliedern.
  • Des weiteren besteht eine Möglichkeit darin, Neigungssensoren zu nutzen. Sie sind direkt auf der rotierenden Welle montiert und liefern eine Winkel-Rückmeldung (z.B. in linearen Fresnel-Anlagen). Neigungssensoren sind am beweglichen Teil der Konstruktion montiert. Das begünstigt, dass sich die ständig bewegten Kabel mit der Zeit abnutzen. Letztendlich kann dieser Kabelverschleiß zu Ausfällen führen.
  • Für High-End-Tracking in Parabolrinnen-Anlagen liefern Magnetbandsysteme die Rückmeldung der Positionen. Dabei ist das Magnetband um die Welle herum montiert und der Sensorkopf am Rahmen des Trackers befestigt. Der Sensor zählt die Impulse mikrometergenau. So ermöglicht er eine kontinuierliche und verschleißfreie Positionierung.

Zwei­achsige Tracker für die Solar­energie

Heliostats focus sunlight on a central receiver
Konzentriertes Solarwärmekraftwerk mit zentralem Absorber

Zweiachsige Systeme zur Nachführung positionieren grundsätzlich alle eingesetzten Technologien:

  1. konzentrierte Photovoltaik-Modulen (CPV)
  2. Parabolreflektoren (Schüssel)
  3. Spiegel (Heliostaten)

Doch insbesondere Solarthermische Kraftwerken, sogenannte Concentrated Solar Power Anlagen (CSP), fordern eine exakte Genauigkeit. Deshalb müssen Heliostaten viel Licht auf einen zentralen Empfänger auf einen Turm in der Mitte des Heliostaten-Feldes richten. Dies führt dann zu den hohen Temperaturen für den Wasser-Dampf-Kreislauf erreicht. Da es eine Azimut- und eine Elevations-Achse gibt, müssen allerdings auch zwei Positioniersysteme diese Winkel messen.

Erstens können Neigungssensoren den Elevation-Winkel je nach Sonnenstand messen. Sie basieren auf dem MEMS-Prinzip oder arbeiten Fluid basiert. Zweitens muss der Azimut-Winkel erfasst werden. Aber die Prinzipien eignen sich nicht, Winkel von Ost nach West zu messen (Azimut). Eine Alternative ist deshalb, die Position mit integrierten Drehgebern direkt am Antrieb zu erfassen. An dieser Stelle kommt es zu Spiel, das sowie die indirekte Messung beeinflusst als auch die Genauigkeit. Allerdings ist genau diese von höchster Bedeutung, da die Heliostate viele hundert Meter vom zentralen Empfänger entfernt sein können. Magnetisch codierte Positions- und Winkelmesssysteme können auf beiden Wellen (Azimut und Elevation) montiert werden. Daraus resultiert eine direkte Messung der Winkel mit höchster Genauigkeit.

Magnetisch codiertes Wegmesssystem

Neben der Solarenergie spielt die Wasserkraft im Strommix der Zukunft ebenfalls eine zentrale Rolle. Sie ist die älteste Energiequelle und in vielen Ländern der Erde bereits fester Bestandteil im Strommix. Doch großes Potenzial liegt auch in der Nutzung von Meeresenergie, beispielsweise Gezeiten und Wellen. Weitere Informationen zu Anwendungen sowohl in den erneuerbaren Energien als auch in konventionellen Kraftwerken finden Sie in dieser Broschüre zur Energiebranche. Sie beschreibt die Einsatzbereich des Balluff Portfolios in der Branche.

Dieser Beitrag erschien auch in Englisch auf dem Automation-Insights Blog

 

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