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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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 : 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.
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.
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.
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.
| 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 |
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.
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