وصلات أولدهام في أنظمة تتبع الطاقة الشمسية: معالجة التمدد الحراري في المحركات الخارجية

تُعدّ أنظمة تتبع الطاقة الشمسية من بين أكثر البيئات الميكانيكية ديناميكية حرارية التي قد تواجهها وصلة ما. يبدأ محرك نظام التتبع وعلبة التروس وعمود الدوران عمله كل يوم عند درجة حرارة محيطة - والتي قد تنخفض إلى ما دون الصفر في صباحات الشتاء في المنشآت الشمسية الصحراوية - ويصل إلى درجة حرارة التشغيل بحلول منتصف النهار، حيث يمكن أن يؤدي الإشعاع الشمسي المباشر على هيكل نظام التتبع، بالإضافة إلى ارتفاع درجات الحرارة المحيطة، إلى رفع درجة حرارة الفولاذ الإنشائي إلى ما بين 60 و80 درجة مئوية فوق مستوى الصباح. تتكرر هذه الدورة الحرارية يوميًا طوال العمر التصميمي للمنشأة الشمسية، والذي يتراوح بين 25 و30 عامًا، مما يؤدي إلى تراكم آلاف دورات التمدد والانكماش الحراري على كل عنصر إنشائي ومكون من مكونات نظام التتبع.

The coupling connecting the tracker’s drive motor and actuator to the torque tube or slewing drive must absorb the lateral shaft offset that results from this daily thermal expansion without transmitting destructive radial forces to the motor or gearbox bearings — and it must do this reliably for decades, in an outdoor environment with UV exposure, dust, temperature extremes, and minimal maintenance access. The وصلة أولدهام يتصدى هذا المنتج لهذا التحدي من خلال قدرته على امتصاص الصدمات الجانبية، وقرص البوليمر الجاف، وتوافره في مواد مقاومة للتآكل مناسبة للتركيب الخارجي.

كيف يؤدي التمدد الحراري إلى عدم محاذاة العمود في محركات التتبع

يتكون جهاز التتبع الأفقي أحادي المحور (HSAT) النموذجي من أنبوب عزم فولاذي مدعوم بمحامل على فترات منتظمة على طوله، ويتم تشغيله بواسطة مشغل خطي أو محرك دوار عند الدعامة المركزية. يتم تركيب المحرك وعلبة التروس على هيكل دعم ثابت مجاور لنقطة التشغيل، مع وصلة تربط عمود خرج علبة التروس بواجهة تشغيل أنبوب العزم.

مع ارتفاع درجة حرارة هيكل جهاز التتبع خلال النهار، يتمدد أنبوب عزم الدوران الفولاذي وهيكل دعم المحرك حراريًا. ونظرًا لاختلاف هندسة الهيكلين، واختلاف اتجاههما بالنسبة للشمس، واختلاف كتلتيهما الحرارية، فإنهما لا يتمددان بنفس المعدل أو في نفس الاتجاه تمامًا. وينتج عن ذلك دورة يومية من الإزاحة الجانبية بين عمود خرج علبة التروس ومحور دوران أنبوب عزم الدوران، وهي إزاحة قد تتراوح بين 0.2 و0.8 ملم عند ذروة فرق درجة الحرارة، وذلك تبعًا لهندسة التركيب والمسافة بين قاعدة المحرك ومحمل أنبوب عزم الدوران.

ينقل وصلة صلبة في هذا الوضع عدم المحاذاة الحرارية كحمل انحناء على كلٍ من محمل عمود خرج علبة التروس ومحمل أنبوب عزم الدوران. وعلى مدار آلاف الدورات الحرارية اليومية - حوالي 3650 دورة لكل عقد - يُعد هذا الحمل الدوري حملاً مُجهداً يُقلل تدريجياً من عمر المحامل. في نظام طاقة شمسية مُصمم للعمل لمدة 25 عاماً مع الحد الأدنى من الصيانة، يُعد التلف المُبكر للمحامل الناتج عن الأحمال المُستحثة بواسطة الوصلة نمط فشل غير مقبول.

تطبيقات محركات التتبع أحادية المحور

Horizontal single-axis trackers use either a centralised drive system — one motor and gearbox per row of panels, connected to the torque tube at the row’s centre — or a distributed drive system with individual drives at each panel. In both configurations, the coupling at the gearbox-to-torque-tube interface must accommodate the thermal misalignment described above.

The Oldham coupling is used in this position specifically for its zero-bearing-load lateral offset accommodation. A flexible coupling that imposes spring-back forces — bellows or beam designs — would transmit the cyclic thermal misalignment as a cyclic radial load on the gearbox bearing: exactly the fatigue loading that must be avoided in a 25-year maintenance-minimised installation. The Oldham coupling absorbs the offset through its sliding disc with zero reaction force, protecting the gearbox and torque tube bearings from coupling-induced fatigue loads throughout the installation’s service life.

لا تتطلب أنظمة محركات التتبع انعدام الارتداد بنفس طريقة أنظمة المؤازرة الدقيقة؛ إذ تتراوح دقة تحديد موضع اللوحة المطلوبة لتحقيق أقصى قدر من الطاقة عادةً بين ±0.1 و ±0.5 درجة، وهو ما يمكن تحقيقه باستخدام وصلة ذات ارتداد معتدل. مع ذلك، في تصميمات التتبع التي تعتمد على التحكم في الموضع بحلقة مغلقة باستخدام المشفر، يتطلب وصلة المشفر انعدام الارتداد لضمان استقرار حلقة التحكم.

تطبيقات التتبع ثنائي المحور

تُستخدم أنظمة التتبع ثنائية المحور (تتبع السمت والارتفاع) في تطبيقات الخلايا الكهروضوئية المركزة (CPV) والطاقة الشمسية المركزة (CSP) حيث تكون متطلبات دقة التتبع أكثر صرامة - عادةً في حدود ±0.05 درجة للحفاظ على التركيز على مستقبل صغير. تستخدم هذه الأنظمة محركات مؤازرة مع تغذية راجعة من المشفر، وتجمع متطلبات الربط بين دقة تطبيق المؤازرة وتحديات البيئة الخارجية لنظام التتبع الشمسي.

في أنظمة تتبع الطاقة الشمسية المركزة (CPV) وأنظمة تتبع الطاقة الشمسية المركزة (CSP)، تُستخدم وصلات أولدهام عند كلٍ من وصلة المشفر (انعدام الارتداد، والعزل الكهربائي، وانعدام الحمل على المشفر) ووصلة المحرك الرئيسي (امتصاص الإزاحة الجانبية الناتجة عن التمدد الحراري، وانعدام الحمل على علبة تروس المحرك الدقيق). عادةً ما تُستخدم محاور من الفولاذ المقاوم للصدأ وأقراص من مادة PEEK في هذه التطبيقات الخارجية الدقيقة، حيث يوفر الفولاذ المقاوم للصدأ مقاومة للتآكل في البيئات الساحلية أو الصحراوية الرطبة، بينما توفر مادة PEEK استقرار درجة الحرارة اللازم للتشغيل الخارجي المستمر في المناخات ذات درجات الحرارة المحيطة المرتفعة.

اختيار المواد لتطبيقات الطاقة الشمسية الخارجية

تفرض البيئة الخارجية لمنشآت الطاقة الشمسية متطلبات مادية تتجاوز تلك الموجودة في التطبيقات الصناعية النموذجية:

التعرض للأشعة فوق البنفسجية: يُعدّ الأسيتال القياسي (POM) عرضةً للتلف بفعل الأشعة فوق البنفسجية عند تعرضه لفترات طويلة في الهواء الطلق. تُؤدي هذه الأشعة إلى تكسير سلسلة البوليمر، مما يُسبب تشقق السطح، وهشاشته، وزيادة قابليته للكسر. في تطبيقات أجهزة التتبع الخارجية المعرضة لأشعة الشمس المباشرة، يُنصح باستخدام نوع من الأسيتال المُثبَّت ضد الأشعة فوق البنفسجية أو مادة بديلة للأقراص. يتميز البولي إيثر إيثر كيتون (PEEK) المُدعَّم بألياف الكربون بلونه الأسود الطبيعي وقدرته على امتصاص الأشعة فوق البنفسجية دون أن يتلف، مما يجعله مادة مناسبة للأقراص الخارجية. إذا كان من الممكن حماية وصلة التوصيل من أشعة الشمس المباشرة بغطاء أو واقٍ بسيط، فيمكن استخدام أقراص الأسيتال القياسية بثقة.

التكثيف ودورة الرطوبة: يؤدي التذبذب اليومي في درجات الحرارة، من برودة الصباح إلى حرارة الظهيرة، إلى تكثف الرطوبة على الأسطح المعدنية الباردة أثناء مرحلة التبريد. في البيئات الساحلية أو الصحراوية الرطبة، يُعدّ تكثف الرطوبة المحمّل بالملح عاملًا مُؤكسدًا قويًا لمحاور العجلات المصنوعة من الألومنيوم. يتعرض الألومنيوم 6061 القياسي، غير المعالج سطحيًا، للتآكل في هذه البيئات خلال فترة خدمة تمتد لـ 25 عامًا. يوفر الألومنيوم المؤكسد مقاومة أفضل للتآكل، بينما يتميز الألومنيوم المؤكسد الصلب بمتانة أكبر. أما في البيئات الساحلية أو المعرضة لضباب الملح، فتُعدّ محاور العجلات المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L الخيار الأمثل الذي يتجنب مشاكل التآكل تمامًا.

درجات الحرارة القصوى: Desert solar installations experience temperature swings from below -20°C on winter nights to above +60°C ambient in summer afternoons, with coupling component temperatures reaching higher still due to direct solar heating. Acetal’s low-temperature brittleness — it becomes significantly more brittle below 0°C — means that a disc replacement or emergency maintenance action in cold conditions carries a risk of brittle fracture if a disc is handled carelessly. PEEK’s much lower cold-temperature brittleness makes it a more robust specification for installations in cold-night climates.

تحديات سهولة الوصول للصيانة

تغطي أنظمة تتبع الطاقة الشمسية عادةً مساحات شاسعة، فقد تضم محطة طاقة شمسية كبيرة آلاف محركات التتبع موزعة على مئات الهكتارات. ولذلك، تُعد تكلفة صيانة كل وصلة على حدة عاملاً تشغيلياً هاماً، ويُعتبر تقليل وتيرة الصيانة هدفاً أساسياً في التصميم.

The Oldham coupling’s replaceable disc architecture is well suited to this constraint. When disc replacement is eventually required — typically after several years in a correctly specified solar tracker application — the replacement takes five minutes per coupling without shaft re-alignment or disturbing the mounting structure. A maintenance technician with a small kit of replacement discs and a torque wrench can service multiple couplings per day. Compare this with bellows couplings that require full replacement and re-alignment, which takes significantly longer and may require two technicians.

بالنسبة للمنشآت واسعة النطاق، ينبغي على الشركة المشغلة وضع برنامج لاستبدال الأقراص بناءً على العمر الافتراضي المتوقع لظروف التركيب المحددة - المناخ، ودورة التشغيل، ومادة القرص - وتخزين كميات كافية من الأقراص البديلة مسبقًا لتغطية كامل المنشأة. وتُعد تكلفة تخزين الأقراص الاحتياطية ضئيلة مقارنةً بتكلفة إرسال فريق صيانة غير مخطط له إلى صف أجهزة التتبع البعيدة.

المواصفات الموصى بها لتطبيقات تتبع الطاقة الشمسية

خاتمة

تجمع محركات تتبع الطاقة الشمسية بين ثلاثة متطلبات تظهر منفردة في تطبيقات أخرى، ولكن نادرًا ما تجتمع معًا: امتصاص الانحراف الجانبي الناتج عن التمدد الحراري خلال دورات درجات الحرارة اليومية التي تتراوح بين 50 و80 درجة مئوية؛ عمر خدمة طويل في البيئات الخارجية المعرضة للأشعة فوق البنفسجية والرطوبة ودرجات الحرارة القصوى؛ وسهولة الصيانة في المنشآت الكبيرة الموزعة. يلبي وصلة أولدهام هذه المتطلبات الثلاثة من خلال آلية القرص المنزلق - التي تمتص الانحراف الحراري دون تحمل أحمال على مدى عقود من التشغيل اليومي - وخيارات المواد المتاحة، والتي توفر مقاومة للأشعة فوق البنفسجية ودرجات الحرارة والتآكل مناسبة لكل مناخ تركيب. عند اختيارها بشكل صحيح مع محاور من الفولاذ المقاوم للصدأ وأقراص من مادة PEEK للبيئات القاسية، ومع مواد مقاومة للأشعة فوق البنفسجية للتعرض المباشر لأشعة الشمس، ستعمل وصلة أولدهام في محرك تتبع الطاقة الشمسية بكفاءة عالية طوال العمر التصميمي للمنشأة الذي يتراوح بين 25 و30 عامًا، مع متطلبات صيانة لا تتجاوز الفحص الدوري للأقراص واستبدالها.

تصفح منتجاتنا مجموعة وصلات أولدهام للتطبيقات الخارجية والشمسية مع خيارات محور من الفولاذ المقاوم للصدأ وقرص من مادة PEEK، أو تواصل مع فريقنا للحصول على إرشادات اختيار المواد الخاصة بمناخ التركيب وتصميم جهاز التتبع.