Solar-Tracker: Funktionsweise und technische Einordnung

Klassische Photovoltaikanlagen auf Wohngebäuden sind starr montiert und fest auf einen bestimmten Azimut- und Neigungswinkel ausgerichtet. Da der Sonnenstand im Tages- und Jahresverlauf variiert, ändert sich der Einfallswinkel der Einstrahlung kontinuierlich, was zu Schwankungen in der aktuellen Modulleistung führt. 

Mechanische Nachführsysteme, sogenannte Solar-Tracker, bewegen die Photovoltaik-Module motorisch mit dem Sonnenlauf mit, um den Einstrahlungswinkel über den Tagesverlauf hinweg konstant im optimalen Bereich zu halten. Das System unterscheidet sich damit von der rein elektronischen Ertragsoptimierung im Wechselrichter (MPP-Tracking). Die technische Relevanz solcher mechatronischen Nachführungen beschränkt sich aufgrund des mechanischen Zusatzaufwands und der statischen Anforderungen im Bestand primär auf Freiflächenanlagen und spezielle Sonderanwendungen.

Was ist eine Solar-Tracker? 

Ein Solar-Tracker ist eine mechatronische Nachführeinheit, die Photovoltaik-Module dynamisch dem Sonnenstand nachführt. Der physikalische Hintergrund liegt im Einstrahlungswinkel: Photovoltaik-Zellen erreichen ihren maximalen Wirkungsgrad bei einem rechtwinkligen Lichteinfall von 90 Grad. Da sich der Sonnenstand im Tagesverlauf von Ost nach West verändert, variiert der Einfallswinkel bei starr montierten Modulen kontinuierlich. 

Die motorische Ausrichtung durch einen Solar-Tracker hält diesen Winkel konstant im optimalen Bereich, was die spezifische Stromerzeugung pro Modulfläche gegenüber statischen Systemen erhöht. Zu unterscheiden ist diese mechanische Nachführung von der rein elektronischen Arbeitspunktsteuerung (MPP-Tracking) innerhalb des Wechselrichters.
 

Wie funktioniert ein Solar-Tracker?

Der Funktionsmechanismus eines mechatronischen Solar-Trackers basiert auf der motorischen Nachführung der Moduloberfläche entlang des natürlichen Sonnenlaufs. Die Photovoltaik-Module montiert man hierbei auf einer beweglichen Trägerstruktur, die über elektrische Stellmotoren angesteuert wird. 

Über Steuerungsalgorithmen oder optische Sensoren ermittelt das System kontinuierlich den aktuellen Sonnenstand und richtet die Ausrichtung auf der horizontalen (Azimut) sowie teilweise auch auf der vertikalen Achse (Elevationswinkel) entsprechend aus. Ziel dieser mechanischen Verstellung ist die permanente Beibehaltung eines weitgehend rechtwinkligen Einstrahlungswinkels auf die Zelle.

Davon abzugrenzen ist das rein elektronische MPP-Tracking im Wechselrichter, das ohne bewegliche Teile auskommt und ausschließlich den elektrischen Betriebspunkt des Modulstrangs optimiert.

Welche Arten von Solar-Trackern gibt es?

Bei Nachführsystemen wird primär zwischen einachsigen und zweiachsigen Bauformen unterschieden. Einachsige Tracker folgen dem Sonnenverlauf auf einer Achse von Ost nach West. Zweiachsige Systeme gleichen zusätzlich die jahreszeitlich bedingte Veränderung des Sonnenstands auf der vertikalen Achse aus.

Die Steuerung der Bewegungsabläufe erfolgt über zwei grundlegende technische Verfahren:

• Sensorgesteuerte Systeme: Optische Sensoren erfassen kontinuierlich die Position des stärksten Lichteinfalls und richten die Module entsprechend der hellsten Himmelsregion aus.

• Astronomisch gesteuerte Systeme: Die Ausrichtung wird über Algorithmen und hinterlegte Geodaten berechnet. Der Mikrocontroller ermittelt die exakte Sonnenposition für den jeweiligen Zeitpunkt und steuert die Stellmotoren ohne optische Sensorik an.

In der Praxis kommen auch hybride Steuerungen zum Einsatz, die beide Ansätze kombinieren. Für Betreiber bestehender Dachanlagen spielen diese mechatronischen Nachführarten im Alltag keine Rolle, da die Ertragsoptimierung dort ausschließlich über das integrierte elektronische MPP-Tracking des Wechselrichters gesteuert wird.
 

Wo werden Solar-Tracker eingesetzt?

Mechanische Solar-Tracker kommen überwiegend bei kommerziellen Freiflächenanlagen und Großprojekten zum Einsatz. Auf Dächern von Wohngebäuden finden sie aus statischen und baulichen Gründen nahezu keine Anwendung.

Der Einsatz auf Freiflächen erklärt sich durch spezifische technische Anforderungen:

• Flächen- und Abstandbedarf: Durch die Neigung und Drehung der Module entsteht ein dynamischer Schattenwurf. Um gegenseitige Verschattung bei tiefem Sonnenstand zu vermeiden, erfordern Tracker-Anlagen größere Reichenabstände und damit eine deutlich höhere Grundfläche als statische Aufständerungen.

• Statik und Windlasten: Bewegliche Modulflächen bieten erhöhte Angriffsflächen für Windkräfte. Das erfordert massive Fundamente und eine robuste Mechanik, die auf Dächern von Bestandsobjekten statisch meist nicht realisierbar ist.

• Wirtschaftlichkeit im Bestand: Die höheren Investitions- und Wartungskosten für Motoren, Lager und Steuerungen amortisieren sich in der Regel nur bei großen Freiflächenprojekten.

Für Betreiber*innen bestehender Photovoltaikanlagen auf Wohngebäuden erfolgt die Optimierung der Erträge daher nicht über mechanische Nachführung, sondern über das im Wechselrichter integrierte, wartungsfreie MPP-Tracking.
 

Einsatzbereiche und Wirtschaftlichkeit von Solar-Trackern

Mechanische Solar-Tracker kommen unter spezifischen Rahmenbedingungen zum Einsatz, bei denen der energetische Mehrertrag die verfahrenstechnischen Mehraufwände übersteigt.

Bei Freiflächenanlagen in Regionen mit hohem Direktstrahlungsanteil führen Nachführsysteme zu signifikanten Ertragssteigerungen, da sich die vergrößerte Grundfläche und der höhere Wartungsaufwand bei Großprojekten skalieren lassen. 

In Sonderanwendungen wie der Agri-Photovoltaik oder bei Parkplatzüberdachungen übernehmen nachgeführte Module neben der Stromerzeugung zusätzliche Steuerungsfunktionen, beispielsweise zur dynamischen Beschattung von Nutzpflanzen, Nutztiere oder Fahrzeugen. 

Für Kleinstanlagen existieren zwar vereinfachte Nachführsysteme, jedoch fällt der wirtschaftliche Nutzen im laufenden Betrieb aufgrund des Eigenstromverbrauchs der Stellmotoren, der mechanischen Störanfälligkeit und der zusätzlichen Anschaffungskosten meist gering aus.