کوپلینگ‌های اولدهام در سیستم‌های ردیابی خورشیدی: مدیریت انبساط حرارتی در درایوهای فضای باز

سیستم‌های ردیاب خورشیدی از جمله پویاترین محیط‌های مکانیکی از نظر حرارتی هستند که یک کوپلینگ تا به حال با آن مواجه می‌شود. موتور، گیربکس و محور محرک ردیاب هر روز در دمای محیط - که در تاسیسات خورشیدی بیابانی می‌تواند در صبح‌های زمستان زیر نقطه انجماد باشد - شروع به کار می‌کنند و تا ظهر به دمای عملیاتی می‌رسند، زمانی که تابش مستقیم خورشید بر سازه ردیاب همراه با دمای بالای محیط می‌تواند دمای فولاد سازه را به 60 تا 80 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای پایه صبحگاهی برساند. این چرخه حرارتی هر روز برای عمر طراحی 25 تا 30 ساله تاسیسات خورشیدی تکرار می‌شود و هزاران چرخه انبساط و انقباض حرارتی را در هر عضو سازه‌ای و اجزای محرک جمع می‌کند.

کوپلینگی که موتور محرک و محرک ردیاب را به لوله گشتاور یا درایو چرخشی متصل می‌کند، باید جابجایی جانبی شفت را که ناشی از این انبساط حرارتی روزانه است، بدون انتقال نیروهای شعاعی مخرب به یاتاقان‌های موتور یا گیربکس، جذب کند - و باید این کار را به طور قابل اعتمادی برای دهه‌ها، در یک محیط بیرونی با قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش، گرد و غبار، دمای بسیار بالا و حداقل دسترسی به تعمیر و نگهداری، انجام دهد. کوپلینگ اولدهام این چالش را با قابلیت جذب آفست جانبی، دیسک پلیمری خشک و موجود بودن در مواد مقاوم در برابر خوردگی مناسب برای نصب در فضای باز، برطرف می‌کند.

چگونه انبساط حرارتی باعث عدم هم‌ترازی شفت در درایوهای ردیاب می‌شود

یک ردیاب تک محوره افقی معمولی (HSAT) از یک لوله گشتاور فولادی تشکیل شده است که در فواصل منظم در امتداد طول آن، بر روی یاتاقان‌ها قرار گرفته و توسط یک محرک خطی یا یک درایو چرخشی در تکیه‌گاه مرکزی به حرکت در می‌آید. موتور و گیربکس بر روی یک سازه نگهدارنده ثابت در مجاورت نقطه محرک نصب شده‌اند و یک کوپلینگ، شفت خروجی گیربکس را به رابط محرک لوله گشتاور متصل می‌کند.

با گرم شدن سازه ردیاب در طول روز، لوله گشتاور فولادی و سازه نگهدارنده موتور از نظر حرارتی منبسط می‌شوند. از آنجا که این دو سازه هندسه‌های متفاوت، جهت‌گیری‌های متفاوت نسبت به خورشید و جرم‌های حرارتی متفاوتی دارند، دقیقاً با نرخ یکسان یا در جهت یکسان منبسط نمی‌شوند. نتیجه، یک چرخه روزانه از جابجایی جانبی شفت بین شفت خروجی گیربکس و محور محرک لوله گشتاور است - جابجایی که بسته به هندسه نصب و فاصله بین پایه موتور و یاتاقان لوله گشتاور، ممکن است در اختلاف دمای اوج، 0.2 تا 0.8 میلی‌متر باشد.

یک کوپلینگ صلب در این موقعیت، ناهم‌ترازی حرارتی را به صورت بار خمشی هم به یاتاقان شفت خروجی گیربکس و هم به یاتاقان لوله گشتاور منتقل می‌کند. در طول هزاران چرخه حرارتی روزانه - تقریباً ۳۶۵۰ سیکل در هر دهه - این بار چرخه‌ای، بارگذاری خستگی است که به تدریج عمر یاتاقان را کاهش می‌دهد. در یک نصب خورشیدی که برای ۲۵ سال کارکرد با حداقل دسترسی به تعمیر و نگهداری طراحی شده است، خرابی زودرس یاتاقان ناشی از بارهای ناشی از کوپلینگ، یک حالت خرابی غیرقابل قبول است.

کاربردهای درایو ردیاب تک محوره

ترکرهای تک محوره افقی یا از یک سیستم محرک متمرکز - یک موتور و گیربکس در هر ردیف پنل، متصل به لوله گشتاور در مرکز ردیف - یا از یک سیستم محرک توزیع‌شده با درایوهای جداگانه در هر پنل استفاده می‌کنند. در هر دو پیکربندی، کوپلینگ در رابط گیربکس به لوله گشتاور باید ناهم‌ترازی حرارتی شرح داده شده در بالا را در خود جای دهد.

کوپلینگ اولدهام در این موقعیت به طور خاص برای تطبیق با جابجایی جانبی بار صفر یاتاقان استفاده می‌شود. یک کوپلینگ انعطاف‌پذیر که نیروهای برگشت فنری - طرح‌های بیلوز یا تیر - را اعمال می‌کند، ناهم‌ترازی حرارتی چرخه‌ای را به عنوان یک بار شعاعی چرخه‌ای بر یاتاقان گیربکس منتقل می‌کند: دقیقاً همان بارگذاری خستگی که باید در یک نصب با حداقل نگهداری ۲۵ ساله از آن اجتناب شود. کوپلینگ اولدهام جابجایی را از طریق دیسک کشویی خود با نیروی واکنش صفر جذب می‌کند و از یاتاقان‌های گیربکس و لوله گشتاور در برابر بارهای خستگی ناشی از کوپلینگ در طول عمر مفید نصب محافظت می‌کند.

سیستم‌های درایو ردیاب برخلاف سیستم‌های سروو دقیق، به لقی صفر نیاز ندارند - دقت موقعیت‌یابی پنل مورد نیاز برای حداکثر برداشت انرژی معمولاً در محدوده ±0.1 تا ±0.5 درجه است که با کوپلینگی با لقی متوسط ​​قابل دستیابی است. با این حال، در طرح‌های ردیاب با کنترل موقعیت حلقه بسته مبتنی بر انکودر، اتصال کوپلینگ انکودر برای عملکرد پایدار حلقه کنترل به لقی صفر نیاز دارد.

کاربردهای ردیاب دو محوره

ردیاب‌های دو محوره (هم ردیابی آزیموت و هم ردیابی ارتفاع) در کاربردهای فتوولتائیک متمرکز (CPV) و انرژی خورشیدی متمرکز (CSP) استفاده می‌شوند که در آن‌ها الزامات دقت ردیابی دقیق‌تر است - معمولاً در محدوده ±0.05 درجه برای حفظ فوکوس روی یک گیرنده کوچک. این سیستم‌ها از درایوهای سروو کنترل‌شده با بازخورد انکودر استفاده می‌کنند و الزامات کوپلینگ، دقت یک کاربرد سروو را با چالش‌های محیط بیرونی یک ردیاب خورشیدی ترکیب می‌کند.

در ردیاب‌های CPV و CSP، کوپلینگ‌های Oldham هم در اتصال انکودر (بدون لقی، ایزولاسیون الکتریکی، بار یاتاقان صفر روی انکودر) و هم در اتصال درایو اصلی (جذب آفست جانبی ناشی از انبساط حرارتی، بار یاتاقان صفر روی گیربکس درایو دقیق) ظاهر می‌شوند. هاب‌های فولادی ضد زنگ و دیسک‌های PEEK معمولاً برای این کاربردهای دقیق در فضای باز مشخص می‌شوند - فولاد ضد زنگ مقاومت در برابر خوردگی را در محیط‌های ساحلی یا بیابانی مرطوب فراهم می‌کند و PEEK پایداری دمایی مورد نیاز برای عملکرد مداوم در فضای باز در آب و هوای با دمای محیط بالا را فراهم می‌کند.

انتخاب مواد برای کاربردهای خورشیدی در فضای باز

محیط بیرونی یک تأسیسات خورشیدی، الزامات مربوط به مواد را فراتر از آنچه در کاربردهای صنعتی معمول با آن مواجه هستیم، مطرح می‌کند:

قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش: استال استاندارد (POM) در معرض تابش طولانی مدت نور خورشید در فضای باز، مستعد تخریب توسط اشعه ماوراء بنفش است. تابش اشعه ماوراء بنفش زنجیره پلیمری را تجزیه می‌کند و باعث گچی شدن سطح، شکنندگی و افزایش شکنندگی می‌شود. در کاربردهای ردیاب در فضای باز با قرار گرفتن در معرض نور مستقیم خورشید، باید از درجه استال تثبیت شده با اشعه ماوراء بنفش یا ماده دیسک جایگزین استفاده شود. PEEK پر شده با فیبر کربن ذاتاً سیاه است و اشعه ماوراء بنفش را بدون تخریب جذب می‌کند، که آن را به یک ماده دیسک مناسب در فضای باز تبدیل می‌کند. اگر محافظت از کوپلینگ در برابر نور مستقیم خورشید با یک پوشش یا محافظ ساده امکان‌پذیر باشد، می‌توان با اطمینان از دیسک‌های استال استاندارد استفاده کرد.

تراکم و چرخه رطوبت: چرخه دمای روزانه از صبح‌های سرد تا بعدازظهرهای گرم، در طول مرحله خنک شدن، باعث ایجاد میعان روی سطوح سرد فلز می‌شود. در محیط‌های ساحلی یا بیابانی مرطوب، میعان مملو از نمک به ویژه برای توپی‌های آلومینیومی خورنده است. آلومینیوم استاندارد 6061 بدون عملیات سطحی ویژه، در این محیط‌ها در طول عمر 25 ساله دچار خوردگی می‌شود. آلومینیوم آنودایز شده مقاومت در برابر خوردگی بهتری را ارائه می‌دهد؛ آلومینیوم آنودایز شده سخت نیز بادوام‌تر است. برای محیط‌های ساحلی یا مه نمکی، توپی‌های فولادی ضد زنگ 316L مشخصات محافظه‌کارانه‌ای هستند که به طور کامل از نگرانی‌های خوردگی جلوگیری می‌کنند.

افراط دما: تأسیسات خورشیدی صحرایی نوسانات دما را از زیر -20 درجه سانتیگراد در شب‌های زمستان تا بالای +60 درجه سانتیگراد محیط در بعد از ظهرهای تابستان تجربه می‌کنند، و دمای اجزای کوپلینگ به دلیل گرمایش مستقیم خورشیدی حتی بالاتر هم می‌رود. شکنندگی استال در دمای پایین - در دمای زیر 0 درجه سانتیگراد به طور قابل توجهی شکننده‌تر می‌شود - به این معنی است که تعویض دیسک یا اقدامات نگهداری اضطراری در شرایط سرد، در صورت بی‌احتیاطی در جابجایی دیسک، خطر شکستگی شکننده را به همراه دارد. شکنندگی بسیار پایین‌تر PEEK در دمای سرد، آن را به مشخصات قوی‌تری برای نصب در آب و هوای شب سرد تبدیل می‌کند.

چالش‌های دسترسی به تعمیر و نگهداری

نصب ردیاب‌های خورشیدی معمولاً مناطق وسیعی را پوشش می‌دهد - یک مزرعه خورشیدی در مقیاس بزرگ ممکن است هزاران درایو ردیاب داشته باشد که در صدها هکتار پخش شده‌اند. بنابراین هزینه نگهداری هر کوپلینگ به صورت جداگانه یک ملاحظه عملیاتی قابل توجه است و به حداقل رساندن دفعات نگهداری یک هدف اصلی طراحی است.

معماری دیسک قابل تعویض کوپلینگ اولدهام به خوبی با این محدودیت سازگار است. هنگامی که در نهایت نیاز به تعویض دیسک باشد - معمولاً پس از چندین سال در یک کاربرد ردیاب خورشیدی که به درستی مشخص شده است - تعویض هر کوپلینگ پنج دقیقه طول می‌کشد بدون اینکه محور دوباره تنظیم شود یا ساختار نصب بهم بریزد. یک تکنسین تعمیر و نگهداری با یک کیت کوچک از دیسک‌های جایگزین و یک آچار گشتاور می‌تواند چندین کوپلینگ را در روز سرویس کند. این را با کوپلینگ‌های حلزونی مقایسه کنید که نیاز به تعویض و تنظیم کامل دارند، که به طور قابل توجهی بیشتر طول می‌کشد و ممکن است به دو تکنسین نیاز داشته باشد.

برای نصب‌های در مقیاس بزرگ، شرکت بهره‌برداری باید یک برنامه تعویض دیسک بر اساس طول عمر مورد انتظار برای شرایط خاص نصب - آب و هوا، چرخه عملیاتی و جنس دیسک - ایجاد کند و دیسک‌های جایگزین کافی را برای نصب کامل از قبل انبار کند. هزینه انبار کردن دیسک‌های یدکی در مقایسه با هزینه اعزام تعمیر و نگهداری برنامه‌ریزی نشده به یک ردیف ردیاب از راه دور، حداقل است.

مشخصات پیشنهادی برای کاربردهای ردیاب خورشیدی

نتیجه‌گیری

درایوهای ردیاب خورشیدی سه الزام را که به صورت جداگانه در سایر کاربردها ظاهر می‌شوند اما به ندرت با هم ترکیب می‌شوند، ترکیب می‌کنند: جذب آفست جانبی ناشی از انبساط حرارتی در چرخه‌های دمایی روزانه از 50 تا 80 درجه سانتیگراد؛ عمر طولانی در محیط‌های بیرونی با قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش، رطوبت و دمای شدید؛ و حداقل نیاز به تعمیر و نگهداری در تاسیسات بزرگ توزیع شده. کوپلینگ اولدهام هر سه مورد را از طریق مکانیسم دیسک کشویی خود - که عدم هم‌ترازی حرارتی را بدون تحمل بار در طول دهه‌ها چرخه روزانه جذب می‌کند - و گزینه‌های مواد آن، که مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش، دما و خوردگی مناسب برای هر آب و هوای نصب را فراهم می‌کند، برطرف می‌کند. یک کوپلینگ اولدهام در یک درایو ردیاب خورشیدی که به درستی با هاب‌های فولادی ضد زنگ و دیسک‌های PEEK برای محیط‌های سخت و با مواد تثبیت‌شده با اشعه ماوراء بنفش برای قرار گرفتن در معرض مستقیم نور خورشید مشخص شده است، به طور قابل اعتمادی برای کل عمر طراحی 25 تا 30 ساله نصب کار خواهد کرد و چیزی بیش از بازرسی و تعویض دوره‌ای دیسک به عنوان نیاز تعمیر و نگهداری آن نیست.

مرور ما محدوده کوپلینگ اولدهام برای کاربردهای فضای باز و خورشیدی با هاب فولادی ضد زنگ و گزینه‌های دیسک PEEK، یا با تیم ما تماس بگیرید برای راهنمایی در انتخاب مواد خاص با توجه به آب و هوای محل نصب و طراحی ردیاب شما.