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Zuverlässigkeit der TRAXLE Produkte

In den Überwachern werden gut bewährte Silikonsolarplatten und Gleichstrommotoren mit Permanentmagnet verwendet (es werden also weder exotische Technologien noch Gefahrstoffe wie Freongase verwendet).

Der niedertourige Gleichstrommotor (500 Tourenzahl je Minute) für erschwerte Bedingungen ist gegen Überlastung komplett geschützt. Während der Beschleunigungsteste hat die Triebwerkeinheit 10000 Überwachungszyklen durchgeführt, was 30 Betriebsjahre darstellt. Bei den Komponenten der Triebwerkeinheit kann man nur einen vernachlässigbaren Verschleiß beobachten. Die festgelegte Lebensdauer der Motorbürsten beträgt 2000 Stunden bei 5000 Tourenzahlen je Minute, d.h. 600 Millionen Umdrehungen, während der Motor lediglich 6 Millionen Umdrehungen im Verlauf eines Zeitraums von 30 Jahren durchführt. Unzuverlässige und kostspielige Komponenten wie Batterien und die Triebwerkelektronik wurden ganz eliminiert. Dadurch wurde die Zuverlässigkeit bedeutend erhöht.

Die fast konstanten Anprallwinkel des Sonnenscheins im Verlauf des Arbeitszyklus (im Vergleich zu festen Systemen) ermöglichen oft die Verwendung des Überwachungssystems ohne Elektronik Maximum Power Point Tracker (MPPT) zu verwenden, weil die Variationen des Arbeitspunkts des Überwachungssolarsystems von Optimalwerten sehr gering sind.

Die durch Überwachungssysteme erzeugte Energie entspricht viel mehr dem Tagesbelastungsdiagramm, als es bei festen Systemen der Fall ist. Das Überwachungssystem generiert Strom auch früh morgens und spät nachmittags, wenn feste Systeme nur eine vernachlässigbare Leistung bringen. Das ermöglicht mehr Applikationen ohne Batterien. Sofern die Batterien allerdings benutzt werden, kann ihre Kapazität kleiner werden. Weil der Wirkungsgrad der üblichen Bleibatterie mit Säure < 80% beträgt, ist der Wirkungsgrad des Systems mit einer eingeschränkten Batterienutzung höher als bei einem System, wo die wesentliche Energiemenge gespeichert werden muß.

Die Verwendung der Überwachungssolarsysteme ermöglicht deshalb einen viel häufigeren direkten Anschluss an Verbraucher ohne kostspielige und unzuverlässige Batterien sowie MPPT.

Batterien, zusammen mit MPPT, sind am wenigsten zuverlässige Komponente der fotovoltaischen Systeme. Deshalb sind Überwachungsfotovoltaiksysteme ohne Batterien und MPPT zuverlässiger und billiger als feste Fotovoltaiksysteme.

Windlast

Die viel häufiger als je zuvor genutzten Solarüberwachungssysteme müssen mindestens 20 Jahre bei minimaler Wartung arbeiten, wenn sie feste Systeme erfolgreich vertreiben sollen. Die im Freien montierte Anlage muß internationale Sicherheitsparameter erfüllen, einschließlich der Windbeständigkeit. Das erhöht erheblich die Zuverlässigkeitsanforderungen. Der Wind mit einer Geschwindigkeit v in der Luft mit einer Dichte r, wirkend senkrecht auf eine Rechteckfläche S ruft die Kraft F hervor, gegeben durch die Formel

 F = cx S r v2/2 .

cx ist der Koeffizient des Luftwiderstands für die Rechteckfläche S, die senkrecht auf den Luftstrom orientiert ist. Der Wert cx ist ungefähr cx = 1,2 für das übliche rechteckige Fotovoltaiksystem.

Die Formel zeigt klar, daß für den Entwurf des fotovoltaischen Systems die örtliche Windgeschwindigkeit sorgfältig gemessen werden muß, denn die auf das fotovoltaische System wirkenden aerodynamischen Kräfte sind gegenüber der Quadratzahl der Windgeschwindigkeit proportional. Bei einer Windgeschwindigkeit von v = 160 km.h-1 ist die aerodynamische Kraft im Vergleich zur aerodynamischen Kraft bei einer Windgeschwindigkeit von v = 120 km.h-1 fast doppelt. Bei der Geschwindigkeit von v = 160 km.h-1 ist auch die auf das fotovoltaische System wirkende aerodynamische Kraft um eine Stelle höher als auf ein typisches Solarsystem wirkende Gravitationskraft.

Der Luftstrom wirkt allerdings auf das fotovoltaische System niemals senkrecht und die Ergebniskraft wird von weiteren Kräften beeinflußt, wie die aerodynamische Triebkraft. Es müssen auch Randerscheinungen in Betracht gezogen werden. Deshalb sind theoretische Berechnungen schwierig und ungenau. Es ist viel wirksamer, die Teste im aerodynamischen Tunnel und im realen Umfeld durchzuführen.

Die internationale Norm „Grundlage der Entwürfe und der Belastungen von Konstruktionen, Teil 2-4 Windbelastungen der Konstruktionen“ legt den Widerstand der Konstruktionen gegen Wind fest. Der gesamte europäische Bereich wird nie einem Wind mit einer höheren Geschwindigkeit als v = 160 km.h-1 am Boden ausgesetzt. Deshalb wurde die Anlage im aerodynamischen Tunnel bei dieser Luftgeschwindigkeit getestet.

Auf das Solarsystem wirkende Kräfte wurden bis zu diesem Zeitpunkt entweder theoretisch berechnet oder wurde die Anlage dem statischen oder dynamischen Test durch eine simulierte Last unterzogen. Bisher haben wir in der Literatur keine Erwähnung über den Test der montierten Solarplatten auf einem Gestell im aerodynamischen Tunnel gefunden.

Die Windbelastungsteste wurden im Juni 1998 im großen aerodynamischen Tunnel mit einem Durchmesser von 3 Metern durchgeführt, der im Testzentrum der Flugforschung in Prag installiert ist. Diese Institution verfügt über die Autorisierung zur Durchführung aerodynamischer Teste.

Das TRAXLE Gestell für zwei 55W fotovoltaische Überwachungsplatten hat einen Windschutz mittels der automatischen Schließung des Getriebes beim maximalen Drehmoment M = 500 N.m und ist so entworfen, daß es im Wind mit einer Geschwindigkeit von mehr als v = 160 km.h-1 durchhält. Das gesamte Solarsystem wurde schrittweise in folgende vier Positionen in Bezug auf die Windrichtung angebracht: senkrecht gegen Wind, senkrecht mit Wind, senkrecht seitlich und unter einem Winkel von 45° von hinten. In jeder Position wurde die Windgeschwindigkeit bis zu einer Geschwindigkeit von v = 160 km.h-1 allmählich erhöht, dann hat man den Wind über einen Zeitraum von t = 3 min. wirken lassen.

Im Verlauf der oben beschriebenen Teste wurde die gesamte Anlage sehr stabil und hat minimale Vibrationen aufgewiesen. Der Luftstrom in der Umgebung der Solarsysteme war auch sehr ruhig. Die Systeme sind stabil geblieben, obwohl wir die Windgeschwindigkeit bis zu v = 180 km.h-1 kurzfristig erhöht haben. Die Teste haben den Solarüberwacher auf keine Art vernichtet, was wir aus der Tatsache schlußfolgern, daß er nach den durchgeführten Testen ordnungsgemäß funktioniert hat.

Im Anfangsstadium waren wir nicht imstande Teste mit Stoßwind durchzuführen, wir sehen allerdings TRAXLE Teste im aerodynamischen Tunnel mit simuliertem Stoßwind vor, wo wir die auf das fotovoltaische System wirkende Ergebniskraft erzielen, die bei Windstürmen wirkt. Es werden ebenfalls Teste auf verkleinerten Modellen der größten TRAXLE Anlagen durchgeführt, die bis zu 52 Stück 55W fotovoltaische Platten tragen.

Im Dezember 1998 wurde ein 1kW überwachendes TRAXLE System im Testzentrum ITER (Tenerife, Kanarische Inseln) in der Nähe einer Farm installiert, wo sehr häufige Stoßwinde vorkommen. Es läuft gerade der Einjahrestest dieser Anlage. Das Überwachungssolarsystem in Tenerife ist in der Fotogalerie abgebildet.

Die Solarüberwacher müssen mit einer größeren Rücksicht auf die Windlast als feste Systeme entworfen werden. Bei passiven (freonartigen) Überwachern gibt es üblicherweise keinen automatischen Eigenschutz gegen Stoßwind. Die Triebwerkeinheiten der aktiven Überwacher sind durch das automatische Schließen des Getriebes häufig geschützt, dennoch kommt es auch bei diesen Getrieben immer zu bestimmten Rückstoßen und zum toten Gang.

Das schlechte Design der automatischen Getriebeschließung kann zur Beschädigung des Getriebes durch Stoßwind führen. Unsere praktischen Versuche zeigen, daß Getriebe der Solarüberwacher für die gegebene Windhöchstgeschwindigkeit zumindest mit dem Sicherheitsfaktor 3 entworfen werden sollten.

Der Solarüberwacher TRAXLETM hat mit einer gewissen Kraftreserve ausgehalten, wobei die Kräfte durch stabilen Wind mit einer Geschwindigkeit von v = 160 km.h-1 bewirkt wurden. Er hat deshalb die internationale Norm ENV 1991-2-4 „Grundlage der Entwürfe und der Belastungen von Konstruktionen, Teil 2-4 Windbelastungen der Konstruktionen“ erfüllt. Er hat auch die Sicherheitskriterien für die Montage im Freiluftumfeld erfüllt.

Beim Entwerfen der fotovoltaischen Systeme, sowohl der stationären als auch der überwachenden, wird konsequent empfohlen, vor Ort die Windgeschwindigkeiten sorgfältig zu messen, weil die Windkraft die größte Kraft darstellt, die auf fotovoltaische Systeme wirkt.

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