Solarnachführungssysteme zählen zu den thermisch dynamischsten mechanischen Umgebungen, denen eine Kupplung jemals ausgesetzt sein wird. Nachführmotor, Getriebe und Antriebswelle beginnen jeden Tag bei Umgebungstemperatur – die in Solaranlagen in der Wüste an Wintermorgen unter dem Gefrierpunkt liegen kann – und erreichen ihre Betriebstemperatur bis zum Mittag. Dann kann die direkte Sonneneinstrahlung auf die Nachführstruktur in Kombination mit hohen Umgebungstemperaturen die Temperatur des Baustahls um 60 bis 80 °C über den morgendlichen Ausgangswert ansteigen lassen. Dieser thermische Zyklus wiederholt sich täglich während der 25- bis 30-jährigen Lebensdauer der Solaranlage und führt zu Tausenden von thermischen Ausdehnungs- und Kontraktionszyklen an jedem Bauteil und jeder Antriebskomponente.
Die Kupplung, die den Antriebsmotor und den Aktor des Trackers mit dem Drehmomentrohr oder dem Schwenkantrieb verbindet, muss den durch die tägliche Wärmeausdehnung entstehenden seitlichen Wellenversatz aufnehmen, ohne dabei schädliche Radialkräfte auf die Motor- oder Getriebelager zu übertragen – und dies muss sie über Jahrzehnte zuverlässig leisten, in einer Außenumgebung mit UV-Strahlung, Staub, extremen Temperaturen und minimalem Wartungszugang. Oldham-Kupplung Diese Herausforderung wird durch die seitliche Absorptionsfähigkeit, die trockenlaufende Polymerscheibe und die Verfügbarkeit in korrosionsbeständigen Materialien, die für die Installation im Freien geeignet sind, bewältigt.
Wie Wärmeausdehnung Wellenfehlausrichtung in Tracker-Antrieben verursacht
Ein typischer horizontaler Einachs-Tracker (HSAT) besteht aus einem Stahldrehmomentrohr, das in regelmäßigen Abständen entlang seiner Länge gelagert ist und von einem Linearantrieb oder einem Schwenkantrieb an der zentralen Lagerung angetrieben wird. Motor und Getriebe sind auf einer festen Trägerstruktur neben dem Antriebspunkt montiert, wobei eine Kupplung die Getriebeausgangswelle mit der Antriebsschnittstelle des Drehmomentrohrs verbindet.
Da sich die Trackerstruktur im Laufe des Tages erwärmt, dehnen sich das Stahldrehmomentrohr und die Motorhalterung thermisch aus. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Geometrien, Ausrichtungen zur Sonne und Wärmemassen dehnen sie sich nicht exakt gleich schnell und in dieselbe Richtung aus. Dies führt zu einem täglichen Zyklus seitlicher Wellenverschiebungen zwischen der Getriebeausgangswelle und der Antriebsachse des Drehmomentrohrs. Diese Verschiebung kann je nach Einbaugeometrie und Abstand zwischen Motorhalterung und Drehmomentrohrlager bei maximaler Temperaturdifferenz 0,2 bis 0,8 mm betragen.
Eine starre Kupplung in dieser Position überträgt die thermische Fehlausrichtung als Biegebelastung sowohl auf das Getriebeausgangswellenlager als auch auf das Drehmomentrohrlager. Über Tausende von täglichen Temperaturzyklen – etwa 3.650 Zyklen pro Jahrzehnt – führt diese zyklische Belastung zu einer Ermüdungsbelastung, die die Lagerlebensdauer kontinuierlich reduziert. Bei einer Solaranlage, die für einen 25-jährigen Betrieb mit minimalem Wartungsaufwand ausgelegt ist, ist ein vorzeitiger Lagerausfall aufgrund von Kupplungsbelastungen inakzeptabel.
Anwendungen für einachsige Tracker-Antriebe
Horizontale Einachs-Tracker verwenden entweder ein zentrales Antriebssystem – einen Motor und ein Getriebe pro Paneelreihe, die mit dem Drehmomentrohr in der Reihenmitte verbunden sind – oder ein verteiltes Antriebssystem mit Einzelantrieben an jedem Paneel. In beiden Konfigurationen muss die Kupplung an der Schnittstelle zwischen Getriebe und Drehmomentrohr die oben beschriebene thermische Fehlausrichtung ausgleichen.
Die Oldham-Kupplung wird in dieser Position speziell aufgrund ihrer lastfreien seitlichen Versatzkompensation eingesetzt. Eine flexible Kupplung, die Rückfederungskräfte erzeugt – beispielsweise eine Balg- oder Balkenkupplung – würde die zyklische thermische Fehlausrichtung als zyklische Radiallast auf das Getriebelager übertragen: genau die Ermüdungsbelastung, die bei einer wartungsarmen Anlage mit einer Lebensdauer von 25 Jahren unbedingt vermieden werden muss. Die Oldham-Kupplung absorbiert den Versatz über ihre Gleitscheibe kraftfrei und schützt so die Getriebe- und Drehmomentrohrlager während der gesamten Lebensdauer der Anlage vor kupplungsbedingten Ermüdungsbelastungen.
Tracker-Antriebssysteme benötigen nicht die gleiche Spielfreiheit wie Präzisionsservosysteme. Die für maximale Energieausbeute erforderliche Positioniergenauigkeit der Paneele liegt typischerweise im Bereich von ±0,1 bis ±0,5 Grad, was mit einer Kupplung mit geringem Spiel erreicht werden kann. Bei Tracker-Systemen mit encoderbasierter Positionsregelung im geschlossenen Regelkreis ist jedoch eine spielfreie Encoder-Kupplungsverbindung für einen stabilen Regelkreisbetrieb unerlässlich.
Anwendungen für Zweiachsen-Tracker
Zweiachsige Tracker (sowohl für Azimut- als auch für Höhenverfolgung) werden in konzentrierter Photovoltaik (CPV) und konzentrierter Solarenergie (CSP) eingesetzt, wo die Anforderungen an die Nachführgenauigkeit besonders hoch sind – typischerweise innerhalb von ±0,05 Grad, um einen kleinen Empfänger scharf abzubilden. Diese Systeme verwenden servogesteuerte Antriebe mit Encoder-Rückmeldung. Die Anforderungen an die Kopplung vereinen die Präzision einer Servo-Anwendung mit den Herausforderungen der Außenumgebung eines Solartrackers.
Bei CPV- und CSP-Trackern kommen Oldham-Kupplungen sowohl am Encoderanschluss (spielfrei, galvanische Trennung, lastfreie Encoder) als auch am Hauptantriebsanschluss (Ausgleich von seitlichen Verschiebungen durch Wärmeausdehnung, lastfreies Präzisionsgetriebe) zum Einsatz. Für diese präzisen Außenanwendungen werden typischerweise Naben aus Edelstahl und Scheiben aus PEEK spezifiziert. Der Edelstahl bietet Korrosionsbeständigkeit in Küsten- oder feuchten Wüstenumgebungen, während PEEK die für den Dauerbetrieb im Freien bei hohen Umgebungstemperaturen erforderliche Temperaturstabilität gewährleistet.
Materialauswahl für Solaranwendungen im Außenbereich
Die Außenumgebung einer Solaranlage stellt höhere Materialanforderungen als jene, die in typischen industriellen Anwendungen üblich sind:
UV-Strahlung: Standard-Acetal (POM) ist bei längerer Freilandeinwirkung anfällig für UV-bedingte Zersetzung. UV-Strahlung spaltet die Polymerkette auf, was zu Oberflächenkreidebildung, Versprödung und erhöhter Sprödigkeit führt. Für Nachführsysteme im Außenbereich mit direkter Sonneneinstrahlung sollte daher ein UV-stabilisiertes Acetal oder ein alternatives Scheibenmaterial verwendet werden. Kohlenstofffaserverstärktes PEEK ist von Natur aus schwarz und absorbiert UV-Strahlung ohne Zersetzung, wodurch es sich als geeignetes Scheibenmaterial für den Außenbereich eignet. Wenn die Kupplung durch eine einfache Abdeckung oder Schutzvorrichtung vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt werden kann, können Standard-Acetalscheiben bedenkenlos eingesetzt werden.
Kondensation und Feuchtigkeitskreislauf: Der tägliche Temperaturwechsel von kalten Morgenstunden zu heißen Nachmittagen führt während der Abkühlphase zur Kondensation auf kalten Metalloberflächen. In Küstenregionen oder feuchten Wüstengebieten wirkt sich salzhaltiges Kondenswasser besonders korrosiv auf Aluminiumnaben aus. Standard-Aluminium 6061 ohne spezielle Oberflächenbehandlung korrodiert in diesen Umgebungen innerhalb einer Nutzungsdauer von 25 Jahren. Eloxiertes Aluminium bietet einen besseren Korrosionsschutz; hart eloxiertes Aluminium ist noch widerstandsfähiger. Für Küsten- oder salznebelreiche Gebiete sind Naben aus Edelstahl 316L die sicherste Lösung, um Korrosionsprobleme vollständig zu vermeiden.
Temperaturextreme: In Wüstensolaranlagen herrschen Temperaturschwankungen von unter -20 °C in Winternächten bis über +60 °C Umgebungstemperatur an Sommernachmittagen. Die Temperaturen der Kopplungskomponenten erreichen durch die direkte Sonneneinstrahlung sogar noch höhere Werte. Acetal ist bei niedrigen Temperaturen spröde – es wird unter 0 °C deutlich spröder –, was bedeutet, dass ein Scheibenaustausch oder eine Notfallreparatur bei Kälte die Gefahr eines Sprödbruchs birgt, wenn die Scheibe unsachgemäß behandelt wird. PEEK ist aufgrund seiner wesentlich geringeren Kältesprödigkeit die robustere Wahl für Anlagen in Regionen mit kalten Nächten.
Herausforderungen bei der Wartung und Zugänglichkeit
Solartrackeranlagen erstrecken sich typischerweise über große Flächen – ein Solarpark im Kraftwerksmaßstab kann Tausende von Trackerantrieben über Hunderte von Hektar umfassen. Die Kosten für die Wartung jeder einzelnen Kopplung sind daher ein wichtiger Betriebsfaktor, und die Minimierung der Wartungshäufigkeit ist ein vorrangiges Konstruktionsziel.
Die austauschbare Scheibenkonstruktion der Oldham-Kupplung ist für diese Anforderung optimal geeignet. Wenn ein Scheibenwechsel erforderlich wird – typischerweise nach einigen Jahren bei korrekt spezifizierter Solartracker-Anwendung – dauert der Austausch pro Kupplung nur fünf Minuten, ohne dass eine Neuausrichtung der Welle oder eine Beeinträchtigung der Montagekonstruktion notwendig ist. Ein Wartungstechniker kann mit einem kleinen Satz Ersatzscheiben und einem Drehmomentschlüssel mehrere Kupplungen pro Tag warten. Im Vergleich dazu erfordern Faltenbalgkupplungen einen kompletten Austausch und eine Neuausrichtung, was deutlich länger dauert und unter Umständen zwei Techniker benötigt.
Bei Großanlagen sollte das Betreiberunternehmen ein Austauschprogramm für die Datenträger festlegen, das auf der erwarteten Lebensdauer unter den spezifischen Anlagenbedingungen – Klima, Betriebszyklus und Datenträgermaterial – basiert, und ausreichend Ersatzdatenträger für die gesamte Anlage vorrätig halten. Die Kosten für die Bevorratung von Ersatzdatenträgern sind minimal im Vergleich zu den Kosten eines ungeplanten Wartungseinsatzes an einer abgelegenen Messstation.
Empfohlene Spezifikation für Solartracker-Anwendungen
| Tracker-Typ / Standort | Nabenmaterial | Disc-Material | Hauptgrund |
|---|---|---|---|
| HSAT, Binnenland-Trockenstandort | Eloxiertes Aluminium | UV-stabilisiertes Acetal oder PEEK | Niedrige Luftfeuchtigkeit, UV-Schutz hat Priorität |
| HSAT, Küsten- oder Feuchtstandort | Edelstahl 316L | SPÄHEN | Beständigkeit gegen Salznebel und Kondensation |
| HSAT, kaltes Klima (unter -20°C) | Edelstahl 316L | SPÄHEN | Tieftemperaturzähigkeit, keine Kältesprödigkeit |
| Zweiachsiger CPV/CSP-Tracker | Edelstahl 316L | SPÄHEN | Präzision + Außeneinsatz + lange Lebensdauer |
Abschluss
Antriebe für Solartracker vereinen drei Anforderungen, die zwar auch in anderen Anwendungen einzeln auftreten, aber selten gemeinsam: Ausgleich von seitlichen Verschiebungen durch Wärmeausdehnung bei täglichen Temperaturschwankungen von 50 bis 80 °C; lange Lebensdauer im Außenbereich mit extremer UV-Strahlung, Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen; und minimaler Wartungsaufwand bei großen, dezentralen Anlagen. Die Oldham-Kupplung erfüllt alle drei Anforderungen durch ihren Gleitscheibenmechanismus, der thermische Fehlausrichtungen über Jahrzehnte im täglichen Betrieb ohne Lagerbelastung ausgleicht, und durch ihre Materialoptionen, die die jeweils erforderliche UV-, Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit für jedes Installationsklima gewährleisten. Bei korrekter Spezifikation mit Naben aus Edelstahl und PEEK-Scheiben für anspruchsvolle Umgebungen sowie mit UV-stabilisierten Materialien für direkte Sonneneinstrahlung arbeitet eine Oldham-Kupplung in einem Solartracker-Antrieb zuverlässig über die gesamte geplante Lebensdauer der Anlage von 25 bis 30 Jahren. Die Wartung beschränkt sich dabei auf die regelmäßige Überprüfung und den Austausch der Scheiben.
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