Zwei Herausforderungen, die die Auswahl des Solartracker-Antriebs einzigartig machen
Solartracking-Antriebe weisen einige Gemeinsamkeiten mit Standard-Servoantrieben auf – zwei technische Herausforderungen sind jedoch spezifisch für das Solartracking und werden durch die übliche Methodik zur Auswahl von Servoantrieben nicht ausreichend abgedeckt. Beide müssen verstanden werden, bevor eine korrekte Übersetzung oder Baugrößenwahl getroffen werden kann.
Ein Solarpanel folgt der Sonne mit 0,375°/Minute im Azimut – das entspricht 0,0010 U/min der Antriebswelle. Selbst bei einer Untersetzung von 320:1 würde der Motor nur mit 0,33 U/min laufen. Standard-Servomotoren verlieren unterhalb von etwa 50 U/min ihre Drehzahlstabilität – die Encoderimpulse treffen dann zu selten ein, als dass der Drehzahlregelkreis noch funktionieren könnte. Das bedeutet, dass die Solarnachführungsgeschwindigkeit selbst nicht als Betriebspunkt des Motors verwendet werden kann. Eine völlig andere Fahrstrategie ist erforderlich.
Solarparks sind typischerweise für eine Betriebsdauer von 25 Jahren mit minimalem Wartungsaufwand vor Ort ausgelegt. Ein Solarpark im Versorgungsmaßstab kann Tausende von Nachführsystemen umfassen, die über ein abgelegenes Gelände in Wüsten-, Küsten- oder Tropengebieten verteilt sind. Jedes System muss folgenden Belastungen standhalten: UV-Strahlung, die Dichtungen und Schmierstoffe angreift; Salznebel in Küstenanlagen; Temperaturschwankungen von -25 °C nachts bis +90 °C im Sommer; Eindringen von Staub und Sand in Wüstengebieten; und regelmäßige, durch Regen verursachte Hochdruckreinigung in landwirtschaftlichen Gebieten. IP65 und wartungsfreie Schmierung sind nicht optional – sie stellen die minimale, praktikable Spezifikation dar.
Anforderungen an die Solarnachführung – Azimut, Elevation und Notabsenkung
Antriebe für Solartracker müssen drei unterschiedliche Bewegungsprofile mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeits- und Drehmomentanforderungen ausführen. Das Übersetzungsverhältnis muss alle drei Profile gleichzeitig abdecken – deshalb bestimmt die Geschwindigkeit der schnellen Neupositionierung und nicht die Nachführgeschwindigkeit die praktische Obergrenze des Übersetzungsverhältnisses.
Sendungsverfolgung
Die Sonne durchläuft in etwa 8 Stunden einen Winkel von 180° (Äquatorlage, klarer Himmel). An der Antriebswelle beträgt die Azimutänderung 0,375°/min = 0,0010 U/min. Selbst bei einem Übersetzungsverhältnis von i = 320:1 läge die Motordrehzahl bei 0,33 U/min – unterhalb des stabilen Servobereichs. Technische Lösung: intermittierendes Halten (siehe Modul 3). Das benötigte Drehmoment entspricht dem Windlastdrehmoment geteilt durch das Übersetzungsverhältnis – typischerweise ein Motor mit geringer Leistung im Bereich von 100 W bis 400 W bei hohem Übersetzungsverhältnis.
/ ZURÜCKSETZEN
Bei Tagesanbruch muss der Tracker von seiner am Vortag nach Westen ausgerichteten Lagerposition wieder in die nach Osten ausgerichtete Startposition zurückkehren – eine Azimutumkehr von 180°. Bei einer Ausgangsdrehzahl von 1 U/min bis i=200 läuft der Motor mit 200 U/min – deutlich innerhalb des stabilen Servobereichs. Diese Repositionierungsgeschwindigkeit legt die obere Grenze des Übersetzungsverhältnisses: Bei i=320 und n_fast=2 U/min würde der Motor 640 U/min erreichen – noch im zulässigen Bereich. Das Übersetzungsverhältnis sollte so gewählt werden, dass die schnelle Neupositionierung eine Motordrehzahl n_motor zwischen 100 und 1500 U/min ergibt.
VERSTAUEN
Wenn die Windgeschwindigkeit den kritischen Schwellenwert (typischerweise 25–30 m/s) überschreitet, leitet die Steuerung eine Notabsenkung ein: Das Panel fährt so schnell wie möglich in die horizontale Position (minimale Windangriffsfläche). Gemäß IEC 62817 sollte die Absenkung bei den meisten Tracker-Konstruktionen innerhalb von 3 Minuten abgeschlossen sein. Für eine Absenkung um 90° bei i = 200 ist folgende Drehzahl erforderlich: n_out = 90/(3×360) = 0,083 U/min → n_motor = 16,7 U/min – etwas niedrig, aber ausreichend für die positionsgesteuerte Absenkung. Wählen Sie das Übersetzungsverhältnis so, dass die Absenkung innerhalb des vorgegebenen Zeitrahmens bei Nenndrehmoment des Motors zuverlässig abgeschlossen wird.
Die Strategie der intermittierenden Nachführung – Lösung des Motorgeschwindigkeitsparadoxons
Die Lösung des Paradoxons der Motordrehzahl ist, sobald sie erkannt ist, ganz einfach: Solartracker müssen sich nicht bewegen. ständig Bei Nachführgeschwindigkeit. Es genügt, das Panel innerhalb der geforderten Nachführgenauigkeit zu halten. Anstatt einer kontinuierlichen langsamen Rotation führt der Antrieb schnelle, kleine Korrekturen mit der Nachführgeschwindigkeit durch, unterbrochen von Haltephasen. Während der Haltephase steht der Motor still (Servo hält die Position mit Null-Drehzahl-Befehl). Während der Korrektur läuft der Motor mit der Nachführgeschwindigkeit – weit innerhalb des stabilen Servobereichs.
Trackinggenauigkeit und Energieausbeute: Der Kosinuseffekt der Nachführgenauigkeit reduziert die Modulleistung um cos(θ_Fehler). Bei einem Nachführfehler von ±0,5° beträgt der Leistungsverlust lediglich 0,0038% – für eine 100-kW-Anlage mit 2.920 Betriebsstunden pro Jahr entspricht dies 11 kWh/Jahr, was weniger als $1 wert ist. Eine Nachführgenauigkeit von ±0,5° ist für Flachpanel-PV-Anlagen sowohl hinsichtlich des Energieertrags als auch der Getriebespezifikation mehr als ausreichend. Bei CPV-Systemen (konzentrierte Photovoltaik) handelt es sich um eine Ausnahme – sie benötigen eine Genauigkeit von ±0,1° oder besser, da ihr optischer Akzeptanzwinkel viel kleiner ist.
Windlastmoment – Die primäre Auslegungslast für Solartracker-Antriebe
Die dominierende Drehmomentbelastung eines Solartracker-Antriebs ist nicht das Gewicht der Solarmodule, sondern der Winddruck auf deren Oberfläche. Anders als bei den meisten Servoanwendungen, bei denen Trägheit oder Reibung das maximale Drehmoment bestimmen, erfahren Solartracker eine kontinuierliche aerodynamische Belastung, die sowohl das Nenndrehmoment als auch das Notdrehmoment für die Einparkphase festlegt. Die Windbelastung skaliert quadratisch mit der Windgeschwindigkeit und linear mit der Modulfläche, wodurch große Reihen mit mehreren Modulen deutlich höhere Anforderungen stellen als Einheiten mit nur einem Modul.
Die Drehmomentformel: T_wind = 0,5 × ρ_air × v² × A_panel × n_panels × Cd × R_arm, wobei ρ_air = 1,225 kg/m³, A_panel = 2 m² (400W Panel), Cd = 1,0–1,5 (abhängig von der Array-Konfiguration), R_arm = 0,6 m (Abstand von der Rotationsachse zum Druckmittelpunkt des Panels).
| Tracker-Konfiguration | CD | T @ 15 m/s Designwind |
T @ 20 m/s starker Wind |
T @ 25 m/s Stauauslöser |
T @ 30 m/s Überleben (verstaut) |
Mit SF=2,0 Auslegungsdrehmoment |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Einzelpanel (1×400W) | 1.0 | 165 N·m | 294 N·m | 459 N·m | 662 N·m | 588 N·m bei 20 m/s |
| 2-teilige Reihe | 1.0 | 331 N·m | 588 N·m | 919 N·m | 1.323 N·m | 1.176 N·m bei 20 m/s |
| 4-teilig (2×2) ★ typischer kleiner Bauernhof | 1.3 | 860 N·m | 1.529 N·m | 2.389 N·m | 3.440 N·m | 3.058 N·m bei 20 m/s |
| 10-teilige Reihen-Nutzwaage (5×2) | 1.4 | 2.315 N·m | 4.116 N·m | 6.431 N·m | 9.261 N·m | 8.232 N·m bei 20 m/s |
| 20-teilige Reihe (10×2) großes Nutzgebäude | 1.5 | 4.961 N·m | 8.820 N·m | 13.781 N·m | 19.845 N·m | 17.640 N·m bei 20 m/s |
Winddrehmoment T = 0,5 × 1,225 × v² × 2,0 × Cd × n_paneele × 0,6 m. Auslegungsdrehmoment = Winddrehmoment bei 20 m/s × SF = 2,0. Für die Überlebenslast (Stauprüfung) verwenden Sie T bei 30 m/s – das Getriebe muss das Paneel bei stromlosem Motor (Schneckengetriebe) oder mit Servo-Haltemoment (Planetengetriebe) in Position halten. Hinweis: Reihen mit 10 oder 20 Paneelen erfordern mehrere Antriebseinheiten entlang der Reihe – diese Werte gelten pro Antriebseinheit bei gleichmäßiger Lastverteilung.
Ein 4-Panel-Tracker (2×2) ist die gängigste Konfiguration für private und kleinere gewerbliche Solaranlagen in Korea. Bei einer Windgeschwindigkeit von 20 m/s und einem SF-Wert von 2,0 beträgt das Auslegungsdrehmoment 3.058 Nm – und übersteigt damit das Nenndrehmoment. alle Standardmäßig sind die einstufigen EP-ZDE- und EP-ZDS-Einheiten verfügbar. Zwei Optionen stehen zur Verfügung: (1) Einsatz des EP-ZDS-190 in 3-stufiger Ausführung mit einer Nennausgangsleistung von 1.800 Nm – erfüllt die Anforderungen an das Auslegungsdrehmoment gemäß 59% nur in Einzelstufe; (2) Einsatz von zwei Antriebseinheiten, die sich die Last teilen und jeweils 1.529 Nm übertragen, was der EP-ZDS-190 innerhalb seiner Nennleistung bewältigt. Für Konfigurationen mit 4 oder mehr Schalttafeln sind Mehrfachantriebe oder dedizierte Hochleistungs-Tracker-Antriebe erforderlich. Die Anwendungstechnik von Korea Ever-Power bietet Beratung zur Konfiguration mehrerer Einheiten für diese Fälle.
Gegenwind bei der Solarnachführung – Was zählt und was nicht
Das Spiel wird häufig als kritische Spezifikation für Solartracker-Antriebe genannt. Bei der Standard-Servopositionierung – wo der Antrieb häufig die Richtung ändert – erzeugt das Spiel bei jeder Richtungsumkehr einen Totbereich, der die Positioniergenauigkeit direkt beeinträchtigt. Die Solarnachführung ist grundlegend anders: Während des Nachführtages bewegt sich der Antrieb nur in eine Richtung (von Ost nach West). Da das Spiel ein Phänomen der Richtungsumkehr ist, hat es bei einer unidirektionalen Bewegung keinen Einfluss auf die Nachführgenauigkeit.
Gegenreaktionen Null-Effekt Zur Nachführgenauigkeit: Das Bedienfeld bewegt sich kontinuierlich in eine Richtung – der Zahneingriff ist stets auf derselben Zahnflanke belastet. Es entsteht keine Totzone. Ein Getriebe mit 25 Bogenminuten Zahnflankenspiel ist genauso genau wie eines mit 3 Bogenminuten, vorausgesetzt, der Antrieb ist durch Wind belastet.
Wenn der Antrieb bei Tagesanbruch die Drehrichtung von West nach Ost umkehrt, muss das Spiel im Totbereich überwunden werden, bevor sich die Abtriebswelle bewegt. Bei einer Nachführgeschwindigkeit von 0,375°/min dauert das Überwinden von 8 Bogenminuten (0,133°) Spiel etwa 21 Sekunden. Für Standard-Flachbild-PV-Anlagen ist dies vernachlässigbar. Bei CPV-Systemen, die eine Genauigkeit von ±0,1° erfordern, können selbst 8 Bogenminuten = 0,133° während der Umkehrung kurzzeitig die Toleranz überschreiten.
| Spielspezifikation | Dead Band at Reversal | Zeit zum Durchqueren bei Nachführgeschwindigkeit |
Während der Verfolgung | Geeignet für |
|---|---|---|---|---|
| <8 Bogenminuten (ZDE/ZDS) | 0,133° | ~21 Sek. | Keine Auswirkung ✅ | Alle Flachkollektoren-PV, CPV mit Dämmerungskompensation |
| <12 Bogenminuten (2-stufig) | 0,200° | ~32 Sek. | Keine Auswirkung ✅ | Alle Flachpanel-PV-Anwendungen |
| <25 Bogenminuten (ZDWE/ZDWF) | 0,417° | ~67 Sek. | Keine Auswirkung ✅ | Nur für Flachbildschirme; zu breit für CPV-Tracking |
Implikation für die Spezifikation: Bei herkömmlichen Flachkollektor-Solarparks ist das Rückspiel kein aussagekräftiges Auswahlkriterium, solange ein Mindestqualitätsniveau gewährleistet ist. Der Standard-EP-ZDE/ZDS (<8 Bogenminuten) oder sogar ein kostengünstigeres Gerät mit <25 Bogenminuten ist hinsichtlich der Nachführgenauigkeit technisch ausreichend. Die für Solartracker-Antriebe tatsächlich relevanten Spezifikationskriterien sind: (1) Windlast-Drehmomentkapazität, (2) IP65 für die Lebensdauer im Außenbereich, (3) Getriebeübersetzung für Servostabilität beim Umpositionieren, Und (4) Temperaturbereich für das Einsatzklima. Das Rückspiel ist ein sekundärer Parameter – geben Sie <8 Bogenminuten aus Gründen der Qualitätssicherung an, nicht weil es die begrenzende Genauigkeitsbedingung ist.
Anforderungen an die Außenumgebung – IP-Schutzart und Temperatur nach Einsatzzone
Die Einsatzumgebung eines Solartrackers bestimmt die Mindestanforderungen an die Schutzart (IP-Schutzart) und die Materialanforderungen für das Antriebsgetriebe. Solarparks erstrecken sich über nahezu alle Klimazonen – von koreanischen Küstenregionen mit Salznebel über Wüstenanlagen mit extremer UV-Strahlung und Staub bis hin zu tropischen Anlagen mit hoher Luftfeuchtigkeit und häufigen Regenfällen. Die geforderte Lebensdauer von 25 Jahren (IEC 62446) bedeutet, dass bei der ersten Planung keine Komponente als „zu teuer für eine korrekte Spezifizierung“ gelten darf.
Auswahl der EP-Serie für vier Solartracker-Konfigurationen
Die vier primären Solartracker-Konfigurationen, die in koreanischen und asiatischen Solaranlagen verwendet werden, haben unterschiedliche Antriebsanforderungen, die durch die Anzahl der Paneele (Windlast), die erforderliche Nachführgenauigkeit (flache PV-Module vs. CPV-Module), die Anzahl der Achsen (einfach vs. doppelt) und den Einsatzumfang (von Wohngebäuden bis hin zu Energieversorgungsunternehmen) bestimmt werden.
T_design ≤ 600 N·m (1-Panel bei 20 m/s, SF=2,0)
n_output_fast ≤ 2 rpm
Nachführung: ±0,5° ausreichend
IP54 (Inland) oder IP65 (Küste)
T_Motor = 588/(200×0,90) = 3,3 Nm
→ 400–750-W-Servomotor
i=200: n_motor@2rpm = 400rpm ✅
→ i=160–200 empfohlen
EP-ZDE-160, 160:1 (IP54)
oder EP-ZDS-115, 160:1 (IP65, Küstenbereich)
T_ceiling: 450/210 N·m ✅ vs 588 Nm Design
T_design 1.176–3.058 N·m (SF=2,0 @ 20 m/s)
IP65 empfohlen (25 Jahre im Außenbereich)
n_output_fast ≤ 1,5 rpm
Nachführung: ±0,5° ausreichend
2-Panel: T_design=1,176 Nm → EP-ZDS-142 ✅
4-Panel: T_design=3.058 Nm → 2× Antriebe
i=160–200, n_motor@1,5rpm=240–300rpm ✅
2-teilig: EP-ZDS-142, 160:1, IP65
4-Panel: 2× EP-ZDS-142 teilen sich die Last
oder 1× EP-ZDS-190 (1.800 Nm obere Grenze, 3-stufig)
Azimut- und Höhenachsen (2 Antriebe)
Nachführgenauigkeit: ±0,1° (optische CPV-Akzeptanz)
Korrektur alle 16 Sekunden
IP65-Schutzart erforderlich (Außenbereich, hochwertiges Objekt)
T: 200–800 N·m pro Achse bei Auslegungswind
Azimut i=200–256 (Motor stabil bei 200–256 U/min schnell)
Höhe i=120–160 (niedrigerer Geschwindigkeitsbereich)
BL < 8 Bogenminuten → CPV-Umkehrung mit Reglerkompensation OK
Azimut: EP-ZDS-115/142, 200:1, IP65
Elevation: EP-ZDS-115, 120:1, rechtwinklig (ZDWF)
Beide: BL <8 Bogenminuten, FKM-Dichtungen für den Außenbereich
Sehr hohes Drehmoment: 500–1.800 N·m pro Antriebseinheit
Nur Azimut (Talbahnen EW täglich)
Risiko durch zu hohe Temperaturen im Wohnbereich: Die Nähe zu einem Wärmestau kann Temperaturen von über +90 °C aufweisen.
Schutzart IP65 erforderlich; FKM-Dichtungen obligatorisch
Überprüfen Sie die thermische Isolation der Kollektorstruktur.
Auslegungsdrehmoment: 500–1800 Nm
EP-ZDS-142 Obergrenze: 910 Nm ✅ (mittlere CSP)
EP-ZDS-190 Obergrenze: 1.800 Nm ✅ (großer CSP)
Übersetzungsverhältnis: 100–160:1 (höhere Ausgangsgeschwindigkeit erforderlich)
Mittlerer CSP: EP-ZDS-142, 120:1, IP65, FKM
Großer CSP: EP-ZDS-190, 100:1, IP65, FKM
⚠ Prüfen Sie, ob die Gehäusetemperatur in der Nähe des Kollektors ≤ 90 °C beträgt.
Checkliste für die Spezifikationen von Solartracker-Antrieben – Sechs Parameter vor der Bestellung
Berechnen Sie T_wind bei der Auslegungswindgeschwindigkeit (typischerweise 20 m/s für den Betrieb, 30 m/s für den Überlebenszustand). Wenden Sie SF = 2,0 an. Ermitteln Sie die Anzahl der Paneele pro Antriebseinheit. Verwenden Sie die Winddrehmomenttabelle in Modul 4, um T_design zu ermitteln. Vergleichen Sie den Wert mit dem maximalen Ausgangsdrehmoment der EP-Serie für die gewählte Baugröße und das gewählte Übersetzungsverhältnis.
Stellen Sie i so ein, dass n_motor bei schneller Neupositionierung (1–2 U/min Ausgangsdrehzahl) 100–600 U/min erreicht. Prüfen Sie, ob n_motor bei maximaler Neupositionierung ≤ 3.000 U/min beträgt. Verwenden Sie eine intermittierende Nachführungsstrategie – versuchen Sie nicht, den Motor kontinuierlich mit Nachführdrehzahl zu betreiben. Empfohlener Bereich: i = 120–256 für die meisten Solartracker-Konfigurationen. Siehe … Leitfaden für hohe Verhältnisse zur detaillierten Analyse.
Mindestens Schutzart IP54 für gemäßigte Klimazonen im Landesinneren (Standardstandort in Korea). Schutzart IP65 ist für Küsten-, Wüsten-, Tropen- und Agrarstandorte zwingend erforderlich. Für Außeninstallationen sind FKM-Dichtungen vorzusehen – Standard-NBR wird durch UV-Strahlung und Ozon zersetzt. IP65 gilt nur für die EP-ZDS-Serie.
Die Gehäusetemperatur muss ≤ +90 °C betragen. Bei direkter Sonneneinstrahlung und schlechter Belüftung können dunkle Getriebegehäuse in Wüstenregionen im Sommer Temperaturen von 85–90 °C erreichen. Bei CSP-/Pannenkraftwerken ist eine thermische Trennung von der heißen Kollektorstruktur unerlässlich. Die EP-Serie ist für eine Mindesttemperatur von −25 °C ausgelegt; für kältere Klimazonen ist ein Kaltstartprotokoll anzugeben.
Für Flachkollektoren (PV): Eine Toleranz von ±0,5° ist ausreichend; ein Spiel von bis zu 25 Bogenminuten ist hinsichtlich der Nachführgenauigkeit akzeptabel. Für CPV: ±0,1° oder besser; <8 Bogenminuten vorschreiben und eine Spielkompensation des Reglers bei der Morgendämmerungsumkehr implementieren. Die Genauigkeit während der Nachführung (unidirektional) ist für beide Typen nicht durch das Spiel begrenzt.
Das EP-Serien-Schmierfett hat eine Lebensdauer von L10 = 20.000 Stunden ≈ 7 Jahren bei einer jährlichen Betriebsdauer von 2.920 Stunden. Bei einer geplanten Lebensdauer von 25 Jahren für Solarparks sollten zwei Getriebewechsel (im 7. und 14. Jahr) eingeplant werden. Die Austauschkosten sind in die Stromgestehungskostenberechnung (LCOE) einzubeziehen. Die Bevorratung von Ersatzeinheiten reduziert die Kosten pro Einheit. Vor der Inbetriebnahme großer Solarparks ist die Verfügbarkeit beim koreanischen Vertriebspartner zu prüfen.
Korea Ever-Power bietet Spezifikationen für Solartracker-Antriebe, einschließlich der Berechnung des Windlastdrehmoments für Ihre spezifische Modulkonfiguration, der Empfehlung eines Übersetzungsverhältnisses für einen stabilen Servobetrieb, der IP-Schutzartbewertung je nach Einsatzgebiet und der Überprüfung der Gehäusetemperatur. Für eine vollständige Empfehlung der EP-Serie benötigen wir die Modulanzahl, den Auslegungspunkt bei Windgeschwindigkeit, den Einsatzort und den Trackertyp (ein-/zweiachsig, PV/CPV).
Herausgeber: Cxm
