Ein Linearaktuator ist ein Antriebselement, das die Drehbewegung eines Motors in eine lineare Vor- und Rückbewegung umwandelt und eine Last über eine bestimmte Strecke schiebt oder zieht. In der Praxis wird er auch als „elektrischer Zylinder“ bezeichnet.

Bei Solar Trackern wird ein Linearaktuator verwendet, um den Winkel der Module zu verändern. Am häufigsten wird er in zweiachsigen Systemen eingesetzt, um die Neigung des Moduls, also die Elevationsachse, einzustellen. Bei einigen einachsigen Konstruktionen dreht er über einen Hebelmechanismus das Torsionsrohr und bewegt die Module von Osten nach Westen. Im Folgenden erfahren Sie, wie der Aktuator funktioniert, welche Arten es gibt, wie er in Solar Trackern eingesetzt wird, wie er sich von Getriebeantrieben unterscheidet und worauf bei der Auswahl zu achten ist.

Wie funktioniert ein Linearaktuator?

Ein elektrischer Linearaktuator besteht aus mehreren miteinander verbundenen Grundkomponenten:

• Motor: In der Regel ein kleiner Elektromotor, der mit Gleichstrom (DC) betrieben wird und die Bewegungsquelle bildet.
• Getriebe: Reduziert die hohe Drehzahl des Motors und erhöht die Kraft.
• Gewindespindel und Mutter: Der eigentliche Mechanismus, der die Drehbewegung in eine lineare Bewegung umwandelt. Wenn sich die Spindel dreht, bewegt sich die Mutter vor oder zurück.
• Kolbenstange: Fährt zusammen mit der Mutter aus oder ein und schiebt beziehungsweise zieht die Last.
• Endschalter: Stoppen den Motor an beiden Enden des Hubs und verhindern dadurch eine Überlastung des Mechanismus.
• Positionssensor: Ein Sensor wie Potentiometer, Hall-Sensor oder Encoder übermittelt der Steuereinheit die aktuelle Position des Kolbens.

Wird die Drehrichtung des Motors geändert, fährt der Kolben aus oder ein. Die Steuereinheit regelt diese Bewegung anhand der Informationen des Positionssensors und stoppt den Kolben an der gewünschten Position. Bei Solar-Tracking-Systemen entspricht diese Position dem Modulwinkel, der anhand der aktuellen Sonnenposition berechnet wird.

Arten von Linearaktuatoren

Linearaktuatoren werden entsprechend der für ihre Bewegung verwendeten Energie in drei Hauptgruppen eingeteilt:

• Elektrische Aktuatoren: Arbeiten mit einem Motor und einem Spindelmechanismus. Da sie einfach zu installieren und zu steuern sind, werden sie in Solar Trackern am häufigsten eingesetzt.
• Hydraulische Aktuatoren: Arbeiten mit unter Druck stehendem Öl und können sehr hohe Kräfte erzeugen. Allerdings erfordern sie Wartung an Pumpen, Schläuchen und Dichtungen.
• Pneumatische Aktuatoren: Arbeiten mit Druckluft. Sie sind schnell, benötigen jedoch zusätzliche Steuerungstechnik, um in Zwischenpositionen präzise anzuhalten.

Bei elektrischen Aktuatoren ist die verwendete Spindelart der wichtigste Unterschied. Diese Auswahl bestimmt den Wirkungsgrad des Aktuators und ob er die Last bei einem Stromausfall halten kann.

Bei Solar-Tracking-Systemen bewegen sich die Module im Laufe des Tages in kleinen Schritten, müssen jedoch unter Windlast längere Zeit in demselben Winkel fixiert bleiben. Deshalb ist die Selbsthemmung ein wichtiger Vorteil. Wird ein Aktuator mit Kugelgewindespindel eingesetzt, sollte eine Bremsvorrichtung vorhanden sein, die die Position sicher hält.

Wo wird ein Linearaktuator in einem Solar Tracker eingesetzt?

Für die Bewegung von Modulen in Solar-Tracking-Systemen gibt es zwei grundlegende Möglichkeiten: einen Getriebeantrieb, der eine Drehbewegung erzeugt, und einen Linearaktuator, der schiebt und zieht. Je nach Geometrie der Konstruktion übernimmt der Linearaktuator zwei unterschiedliche Aufgaben.

Neigungsverstellung bei zweiachsigen Systemen

Ein zweiachsiger Tracker folgt der Sonne sowohl bei ihrer Ost-West-Bewegung im Tagesverlauf als auch bei ihrer jahreszeitlich wechselnden Höhe. Bei gängigen Konstruktionen dreht ein Getriebedrehantrieb auf dem Mast das Modul in Ost-West-Richtung (Azimut). Der zwischen Mast und Modulträger montierte Linearaktuator fährt aus und ein und verändert dadurch die Neigung des Moduls (Elevationswinkel). Diese Anordnung ermöglicht eine einfache und voneinander unabhängige Steuerung beider Bewegungen.

Hebelmechanismus bei einachsigen Systemen

Bei einigen einachsigen Trackern dreht der Linearaktuator das Modul, indem er einen mit dem Torsionsrohr verbundenen Hebel schiebt oder zieht. Da der Hebel dem Aktuator einen mechanischen Vorteil verschafft, kann mit einem relativ kleinen Motor eine große Modulreihe bewegt werden.

Dieser Ansatz hat eine Einschränkung: Der Drehwinkel wird durch die Geometrie begrenzt. In wissenschaftlichen Arbeiten wurden für Systeme dieser Art Arbeitsbereiche von ungefähr ±60° untersucht. In einer ausführlichen Untersuchung zu diesem Thema werden Selbsthemmung und hohe Tragfähigkeit als Vorteile von Trackern mit Linearaktuatoren genannt. Der begrenzte Bewegungsbereich und der Energieverbrauch des Motors werden dagegen als zentrale Herausforderungen hervorgehoben.

Die allgemeinen Unterschiede zwischen einachsigen und zweiachsigen Systemen erläutern wir in unserem Artikel über den Unterschied zwischen einachsigen und zweiachsigen Solar Trackern.

Linearaktuator oder Getriebeantrieb?

Die Wahl des richtigen Antriebstyps hängt vom Bewegungsbereich des Systems, der zu tragenden Last und den Standortbedingungen ab. Die folgende Tabelle vergleicht beide Lösungen in ihren Grundzügen:

Bei einachsigen Reihensystemen in Freiflächen-Solarkraftwerken sind Getriebeantriebe, die das Torsionsrohr direkt drehen, eine weit verbreitete Lösung. Unser ST7-Getriebe für einachsige Solar Tracker wird beispielsweise direkt an 120x120-Profilen montiert. Es verfügt außerdem über einen mechanischen Anschlag, der verhindert, dass die Module unter anspruchsvollen Bedingungen wie Wind einen bestimmten Winkel überschreiten.

Der Linearaktuator eignet sich dagegen besonders für Anwendungen, bei denen das Modul kontrolliert um eine Achse geschoben und gezogen werden muss. Der Solar-Tracker-Zylinder aus dem Remak-Solar-Produktsortiment arbeitet zwischen dem Trägerprofil und dem Hauptmast und bewegt die Module kontrolliert und gleichmäßig in den gewünschten Winkel. Alle Produkte finden Sie auf unserer Seite Solar-Tracker-Produkte.

Worauf sollte man bei der Auswahl eines Linearaktuators für einen Solar Tracker achten?

Es reicht nicht aus, nur auf die Kraftangabe im Katalog zu achten. Für einen Aktuator, der viele Jahre zuverlässig im Freien arbeiten soll, müssen folgende Kriterien gemeinsam bewertet werden:

• Dynamische und statische Last: Die Kraft, die der Aktuator während der Bewegung ausüben kann, und die Last, die er im Stillstand tragen kann, unterscheiden sich. Da Windlasten meist auf das stehende und nicht auf das bewegte Modul wirken, ist die statische Haltekraft mindestens ebenso wichtig wie die Schubkraft.
• Hublänge und Anschlusspunkte: Der erforderliche Hub wird anhand des gewünschten Winkelbereichs und des Abstands der Anschlusspunkte zum Drehzentrum berechnet. Ein kürzerer Hebel ermöglicht mit weniger Hub einen größeren Winkel, erhöht jedoch die Belastung des Aktuators.
• Schutzart: Da der Aktuator über Jahre hinweg Staub, Regen und Sonne ausgesetzt ist, müssen Gehäuse und Dichtungselemente für den Außeneinsatz geeignet sein. Die IP-Schutzart ist das grundlegende Maß für die Beständigkeit gegen Staub und Wasser.
• Einschaltdauer: Sie gibt an, wie lange der Aktuator ohne Überhitzung arbeiten kann. Da sich die Module im Tagesverlauf in kurzen Intervallen bewegen, stellt dies bei Trackern in der Regel kein Problem dar. Längere Bewegungen, etwa in die Windschutzposition, müssen jedoch berücksichtigt werden.
• Positionsrückmeldung: Potentiometersensoren behalten die Positionsinformation selbst bei einem Stromausfall bei. Systeme mit Hall-Sensor müssen nach einer Unterbrechung dagegen zu einem Referenzpunkt zurückkehren und neu kalibriert werden.
• Spannungs- und Steuerungskompatibilität: Betriebsspannung und Sensorsignal des Aktuators müssen mit dem Steuerpanel des Systems kompatibel sein.

Die Steuerungslogik des Nachführsystems und die Bestimmung der Sonnenposition erklären wir ausführlich auf unserer Seite Technologie.

Häufig gestellte Fragen zu Linearaktuatoren

Sind Linearaktuator und elektrischer Zylinder dasselbe?

Im alltäglichen Sprachgebrauch werden beide Begriffe meist synonym verwendet. Der Begriff „elektrischer Zylinder“ beschreibt einen motorbetriebenen Linearaktuator. Hydraulische und pneumatische Zylinder erzeugen ebenfalls lineare Bewegungen, arbeiten jedoch mit Öl- beziehungsweise Luftdruck und benötigen zusätzliche Komponenten wie Pumpen oder Kompressoren.

Fallen die Module bei einem Stromausfall herunter?

Aktuatoren mit Trapezgewindespindel sind selbsthemmend und bleiben deshalb bei einem Stromausfall in ihrer aktuellen Position. Bei Modellen mit Kugelgewindespindel übernimmt eine Bremse diese Funktion. Ein gut konstruierter Tracker verfügt zusätzlich über mechanische Anschläge. Dadurch wird verhindert, dass sich die Module selbst bei einem Problem mit dem Aktuator unkontrolliert bewegen.

Mit welcher Spannung arbeiten Linearaktuatoren?

Die meisten elektrischen Linearaktuatoren arbeiten mit 12 V oder 24 V Gleichstrom. Bei der Auswahl müssen die Spannung des Aktuators sowie die Stromversorgung und das Steuerpanel des Systems gemeinsam berücksichtigt werden. Bei langen Kabelwegen sollte außerdem der Spannungsabfall berücksichtigt werden.

Wie wird ein im Freien eingesetzter Aktuator gewartet?

Bei regelmäßigen Kontrollen sollten Verbindungsbolzen und Gelenke, die Oberfläche der Kolbenstange, der Staubschutzbalg und die Kabeleinführungen geprüft werden. Ungewöhnliche Geräusche im Betrieb, langsamere Bewegungen oder das Nichterreichen des Zielwinkels durch das Modul weisen darauf hin, dass der Aktuator überprüft werden sollte. Auch die Kalibrierung des Positionssensors sollte in regelmäßigen Abständen kontrolliert werden.

Warum werden in großen Solarkraftwerken häufiger Getriebe eingesetzt?

Bei einachsigen Systemen, die in langen Reihen installiert sind, drehen sich die Module über einen großen Winkelbereich. Getriebeantriebe, die das Torsionsrohr direkt drehen, können diesen großen Winkel unabhängig von einer Hebelgeometrie bereitstellen. Linearaktuatoren sind dagegen bei zweiachsigen Systemen mit erforderlicher Neigungsverstellung und bei Hebelkonstruktionen vorteilhaft. Einen Überblick über den Aufbau des Systems finden Sie auf unserer Seite Solar-Tracking-System.