Les systèmes de suivi solaire figurent parmi les environnements mécaniques les plus thermiquement dynamiques qu'un accouplement puisse rencontrer. Le moteur d'entraînement, le réducteur et l'arbre de transmission d'un tracker démarrent chaque jour à température ambiante – qui peut être inférieure à zéro les matins d'hiver dans les installations solaires désertiques – et atteignent leur température de fonctionnement en milieu de journée. À ce moment-là, l'irradiation solaire directe sur la structure du tracker, combinée aux températures ambiantes élevées, peut faire grimper la température de l'acier de 60 à 80 °C au-dessus de la température de base du matin. Ce cycle thermique se répète quotidiennement pendant les 25 à 30 ans de durée de vie prévue de l'installation solaire, accumulant des milliers de cycles de dilatation et de contraction thermiques sur chaque élément structurel et composant d'entraînement.
L'accouplement reliant le moteur d'entraînement et l'actionneur du tracker au tube de couple ou au système d'orientation doit absorber le décalage latéral de l'arbre résultant de cette dilatation thermique quotidienne sans transmettre de forces radiales destructrices aux roulements du moteur ou de la boîte de vitesses — et il doit le faire de manière fiable pendant des décennies, dans un environnement extérieur exposé aux UV, à la poussière, aux températures extrêmes et avec un accès minimal pour la maintenance. Accouplement Oldham relève ce défi grâce à sa capacité d'absorption latérale décalée, son disque en polymère fonctionnant à sec et sa disponibilité en matériaux résistants à la corrosion adaptés à une installation en extérieur.
Comment la dilatation thermique crée un désalignement de l'arbre dans les entraînements Tracker
Un système de suivi mono-axe horizontal (HSAT) typique se compose d'un tube de torsion en acier supporté par des roulements à intervalles réguliers sur toute sa longueur, et entraîné par un actionneur linéaire ou un mécanisme d'orientation au niveau du support central. Le moteur et le réducteur sont montés sur une structure de support fixe adjacente au point d'entraînement, un accouplement reliant l'arbre de sortie du réducteur à l'interface d'entraînement du tube de torsion.
Au cours de la journée, la structure du tracker s'échauffe, provoquant la dilatation thermique du tube de torsion en acier et de la structure de support du moteur. Ces deux structures, de géométries, d'orientations par rapport au soleil et de masses thermiques différentes, ne se dilatent ni au même rythme ni dans la même direction. Il en résulte un décalage latéral quotidien entre l'arbre de sortie du réducteur et l'axe d'entraînement du tube de torsion. Ce décalage peut atteindre 0,2 à 0,8 mm au pic de différence de température, selon la géométrie d'installation et la distance entre le support moteur et le palier du tube de torsion.
Un accouplement rigide dans cette position transmet le défaut d'alignement thermique sous forme d'effort de flexion sur le palier de l'arbre de sortie du réducteur et sur celui du tube de poussée. Sur des milliers de cycles thermiques quotidiens (environ 3 650 cycles par décennie), cet effort cyclique engendre une fatigue qui réduit progressivement la durée de vie des paliers. Dans une installation solaire conçue pour 25 ans de fonctionnement avec un accès minimal pour la maintenance, une défaillance prématurée des paliers due aux efforts induits par l'accouplement est inacceptable.
Applications d'entraînement de tracker mono-axe
Les trackers horizontaux mono-axe utilisent soit un système d'entraînement centralisé (un moteur et un réducteur par rangée de panneaux, reliés au tube de torsion au centre de la rangée), soit un système d'entraînement distribué avec des entraînements individuels sur chaque panneau. Dans les deux configurations, l'accouplement à l'interface réducteur-tube de torsion doit compenser le désalignement thermique décrit précédemment.
L'accouplement Oldham est utilisé dans cette position précisément pour sa capacité à compenser le décalage latéral sans effort sur les paliers. Un accouplement flexible imposant un retour élastique (à soufflets ou à poutres) transmettrait le défaut d'alignement thermique cyclique sous forme d'une charge radiale cyclique sur le palier de la boîte de vitesses : une sollicitation due à la fatigue qu'il convient d'éviter dans une installation nécessitant une maintenance minimale pendant 25 ans. L'accouplement Oldham absorbe le décalage grâce à son disque coulissant sans force de réaction, protégeant ainsi les paliers de la boîte de vitesses et du tube de poussée des contraintes de fatigue induites par l'accouplement pendant toute la durée de vie de l'installation.
Les systèmes d'entraînement de trackers n'exigent pas un jeu nul, contrairement aux servomoteurs de précision. La précision de positionnement des panneaux requise pour une récupération d'énergie maximale se situe généralement entre ±0,1 et ±0,5 degrés, ce qui est possible avec un accouplement présentant un jeu modéré. Cependant, dans les trackers à commande de position en boucle fermée par codeur, la liaison de l'accouplement du codeur doit impérativement être exempte de jeu pour un fonctionnement stable de la boucle de régulation.
Applications de suivi à double axe
Les systèmes de suivi biaxiaux (azimut et élévation) sont utilisés dans les applications photovoltaïques à concentration (CPV) et solaires thermodynamiques (CSP) où les exigences de précision de suivi sont plus strictes — généralement de l'ordre de ±0,05 degré pour maintenir la mise au point sur un petit récepteur. Ces systèmes utilisent des servomoteurs avec retour d'information par codeur, et les exigences de couplage allient la précision d'une application servo aux contraintes environnementales extérieures d'un système de suivi solaire.
Dans les trackers CPV et CSP, les accouplements Oldham sont présents à la fois au niveau de la connexion de l'encodeur (absence de jeu, isolation électrique, absence de charge sur les roulements de l'encodeur) et au niveau de la connexion de l'entraînement principal (absorption du décalage latéral dû à la dilatation thermique, absence de charge sur les roulements du réducteur de précision). Pour ces applications extérieures de précision, on utilise généralement des moyeux en acier inoxydable et des disques en PEEK : l'acier inoxydable assure la résistance à la corrosion dans les environnements côtiers ou désertiques humides, tandis que le PEEK garantit la stabilité thermique nécessaire à un fonctionnement continu en extérieur, même par températures ambiantes élevées.
Sélection des matériaux pour les applications solaires extérieures
L'environnement extérieur d'une installation solaire impose des exigences en matière de matériaux qui vont au-delà de celles rencontrées dans les applications industrielles typiques :
Exposition aux UV : L'acétal standard (POM) est sensible à la dégradation par les UV lors d'une exposition prolongée en extérieur. Le rayonnement UV dégrade la chaîne polymère, provoquant un farinage de surface, une fragilisation et une fragilité accrue. Pour les applications de trackers en extérieur exposés à la lumière directe du soleil, il convient d'utiliser un acétal stabilisé aux UV ou un autre matériau pour les disques. Le PEEK chargé de fibres de carbone est naturellement noir et absorbe les UV sans se dégrader, ce qui en fait un matériau adapté aux disques utilisés en extérieur. Si la protection du couplage contre la lumière directe du soleil à l'aide d'un simple couvercle ou d'une grille de protection est possible, les disques en acétal standard peuvent être utilisés sans problème.
Condensation et cycles d'humidité : Les variations quotidiennes de température, entre matinées froides et après-midis chauds, provoquent de la condensation sur les surfaces métalliques froides lors de la phase de refroidissement. En milieu côtier ou désertique humide, cette condensation, chargée de sel, est particulièrement corrosive pour les moyeux en aluminium. L'aluminium 6061 standard, sans traitement de surface spécifique, se corrode dans ces environnements sur une durée de vie de 25 ans. L'aluminium anodisé offre une meilleure résistance à la corrosion ; l'aluminium anodisé dur est encore plus durable. Pour les environnements côtiers ou exposés au brouillard salin, les moyeux en acier inoxydable 316L constituent la solution la plus sûre, car ils éliminent tout risque de corrosion.
Températures extrêmes : Les installations solaires en zone désertique subissent des variations de température allant de moins de -20 °C les nuits d'hiver à plus de +60 °C l'après-midi en été, la température des composants de couplage atteignant des niveaux encore plus élevés en raison du rayonnement solaire direct. La fragilité de l'acétal à basse température — sa fragilité augmente considérablement en dessous de 0 °C — implique qu'un remplacement de disque ou une intervention de maintenance d'urgence par temps froid présente un risque de rupture en cas de manipulation imprudente. La fragilité beaucoup plus faible du PEEK à basse température en fait un matériau plus robuste pour les installations dans les régions aux nuits froides.
Défis d'accessibilité liés à la maintenance
Les installations de suivi solaire couvrent généralement de vastes superficies ; une centrale solaire de grande envergure peut compter des milliers de systèmes de suivi répartis sur des centaines d’hectares. Le coût de maintenance de chaque système est donc un facteur opérationnel important, et la réduction de la fréquence de maintenance est un objectif de conception primordial.
L'architecture à disques remplaçables de l'accouplement Oldham est parfaitement adaptée à cette contrainte. Lorsque le remplacement des disques s'avère nécessaire — généralement après plusieurs années d'utilisation dans une application de suivi solaire correctement spécifiée — l'opération ne prend que cinq minutes par accouplement, sans réalignement de l'arbre ni modification de la structure de montage. Un technicien de maintenance, muni d'un petit kit de disques de rechange et d'une clé dynamométrique, peut ainsi entretenir plusieurs accouplements par jour. À titre de comparaison, les accouplements à soufflets nécessitent un remplacement et un réalignement complets, une opération nettement plus longue et pouvant parfois exiger l'intervention de deux techniciens.
Pour les installations à grande échelle, l'exploitant doit établir un programme de remplacement des disques en fonction de leur durée de vie prévue et des conditions spécifiques de l'installation (climat, cycle d'exploitation et matériau des disques), et constituer un stock suffisant de disques de rechange pour l'ensemble de l'installation. Le coût de ce stockage est minime comparé à celui d'une intervention de maintenance imprévue sur une rangée de trackers éloignée.
Spécifications recommandées pour les applications de suivi solaire
| Type de traqueur / Emplacement | Matériau du moyeu | Matériau du disque | Raison principale |
|---|---|---|---|
| HSAT, site aride intérieur | aluminium anodisé | acétal ou PEEK stabilisé aux UV | Faible humidité, priorité à la protection UV |
| HSAT, site côtier ou humide | acier inoxydable 316L | PEEK | résistance aux embruns salins et à la condensation |
| HSAT, climat froid (inférieur à -20°C) | acier inoxydable 316L | PEEK | Résistance aux basses températures, absence de fragilité à froid |
| Tracker CPV/CSP à double axe | acier inoxydable 316L | PEEK | Précision + environnement extérieur + longue durée de vie |
Conclusion
Les systèmes d'entraînement pour trackers solaires combinent trois exigences rarement réunies : l'absorption des variations de température dues à la dilatation thermique lors des cycles quotidiens (de 50 à 80 °C) ; une longue durée de vie en extérieur, exposée aux UV, à l'humidité et aux températures extrêmes ; et un accès minimal pour la maintenance dans les grandes installations distribuées. L'accouplement Oldham répond à ces trois exigences grâce à son mécanisme à disque coulissant, qui absorbe les variations de température sans solliciter les roulements, et ce, pendant des décennies, malgré les cycles quotidiens. Ses matériaux offrent une résistance aux UV, aux températures extrêmes et à la corrosion adaptée à chaque climat d'installation. Correctement dimensionné avec des moyeux en acier inoxydable et des disques en PEEK pour les environnements exigeants, et avec des matériaux stabilisés aux UV pour une exposition directe au soleil, un accouplement Oldham intégré à un système d'entraînement pour tracker solaire fonctionnera de manière fiable pendant toute la durée de vie prévue de l'installation (25 à 30 ans), ne nécessitant qu'une maintenance périodique, incluant l'inspection et le remplacement des disques.
Parcourez notre Gamme de raccords Oldham pour applications extérieures et solaires avec moyeu en acier inoxydable et options de disque PEEK, ou contactez notre équipe pour obtenir des conseils sur le choix des matériaux adaptés au climat de votre installation et à la conception de votre système de suivi.
