I sistemi di inseguimento solare sono tra gli ambienti meccanici termicamente più dinamici che un giunto possa mai incontrare. Il motore, il riduttore e l'albero di trasmissione di un inseguitore iniziano ogni giorno a temperatura ambiente – che negli impianti solari nel deserto può essere sotto zero nelle mattine invernali – e raggiungono la temperatura di esercizio a mezzogiorno, quando l'irraggiamento solare diretto sulla struttura dell'inseguitore, combinato con le alte temperature ambiente, può spingere la temperatura dell'acciaio strutturale a 60-80 °C al di sopra della temperatura di base mattutina. Questo ciclo termico si ripete ogni giorno per i 25-30 anni di vita utile prevista dell'impianto solare, accumulando migliaia di cicli di espansione e contrazione termica su ogni elemento strutturale e componente di trasmissione.
L'accoppiamento che collega il motore di azionamento e l'attuatore del tracker al tubo di coppia o al riduttore di rotazione deve assorbire lo spostamento laterale dell'albero risultante da questa dilatazione termica giornaliera senza trasmettere forze radiali distruttive ai cuscinetti del motore o del riduttore, e deve farlo in modo affidabile per decenni, in un ambiente esterno con esposizione ai raggi UV, polvere, temperature estreme e accesso minimo per la manutenzione. Accoppiamento di Diham Affronta questa sfida grazie alla sua capacità di assorbimento dello spostamento laterale, al suo disco in polimero a secco e alla sua disponibilità in materiali resistenti alla corrosione adatti all'installazione esterna.
Come la dilatazione termica crea il disallineamento dell'albero nei tracker drive
Un tipico inseguitore orizzontale monoasse (HSAT) è costituito da un tubo di torsione in acciaio supportato da cuscinetti a intervalli regolari lungo la sua lunghezza, azionato da un attuatore lineare o da un riduttore di rotazione posizionato sul supporto centrale. Il motore e il riduttore sono montati su una struttura di supporto fissa adiacente al punto di azionamento, con un giunto che collega l'albero di uscita del riduttore all'interfaccia di azionamento del tubo di torsione.
Con il riscaldamento della struttura del tracker durante il giorno, il tubo di torsione in acciaio e la struttura di supporto del motore si dilatano termicamente. Poiché le due strutture hanno geometrie diverse, orientamenti diversi rispetto al sole e masse termiche diverse, non si dilatano esattamente alla stessa velocità o nella stessa direzione. Il risultato è un ciclo giornaliero di disallineamento laterale dell'albero tra l'albero di uscita del riduttore e l'asse di trasmissione del tubo di torsione: un disallineamento che può variare da 0,2 a 0,8 mm al picco della differenza di temperatura, a seconda della geometria di installazione e della distanza tra il supporto del motore e il cuscinetto del tubo di torsione.
Un giunto rigido in questa posizione trasmette il disallineamento termico come un carico di flessione sia sul cuscinetto dell'albero di uscita del riduttore che sul cuscinetto del tubo di torsione. Per migliaia di cicli termici giornalieri — circa 3.650 cicli per decennio — questo carico ciclico si traduce in un carico di fatica che riduce progressivamente la durata del cuscinetto. In un impianto solare progettato per 25 anni di funzionamento con accesso minimo per la manutenzione, un guasto prematuro del cuscinetto dovuto ai carichi indotti dal giunto è una modalità di guasto inaccettabile.
Applicazioni di azionamenti tracker ad asse singolo
I tracker orizzontali monoasse utilizzano un sistema di azionamento centralizzato (un motore e un riduttore per ogni fila di pannelli, collegati al tubo di torsione al centro della fila) oppure un sistema di azionamento distribuito con azionamenti individuali per ciascun pannello. In entrambe le configurazioni, l'accoppiamento all'interfaccia tra il riduttore e il tubo di torsione deve compensare il disallineamento termico descritto in precedenza.
Il giunto Oldham viene utilizzato in questa posizione specificamente per la sua capacità di compensare lo spostamento laterale senza carico sui cuscinetti. Un giunto flessibile che impone forze di ritorno elastico – come quelli a soffietto o a trave – trasmetterebbe il disallineamento termico ciclico come un carico radiale ciclico sul cuscinetto del riduttore: esattamente il carico di fatica che deve essere evitato in un impianto con manutenzione minima della durata di 25 anni. Il giunto Oldham assorbe lo spostamento attraverso il suo disco scorrevole senza forza di reazione, proteggendo il riduttore e i cuscinetti dell'albero di trasmissione dai carichi di fatica indotti dal giunto per tutta la durata di vita dell'impianto.
I sistemi di inseguimento solare non richiedono un gioco nullo come i sistemi servoassistiti di precisione: la precisione di posizionamento del pannello necessaria per massimizzare la raccolta di energia è in genere compresa tra ±0,1 e ±0,5 gradi, un valore ottenibile con un giunto che presenta un gioco moderato. Tuttavia, nei sistemi di inseguimento solare con controllo di posizione ad anello chiuso basato su encoder, la connessione dell'encoder richiede un gioco nullo per un funzionamento stabile dell'anello di controllo.
Applicazioni di tracciamento a doppio asse
I sistemi di inseguimento a doppio asse (sia per l'azimut che per l'elevazione) sono utilizzati in applicazioni fotovoltaiche a concentrazione (CPV) e a concentrazione solare (CSP), dove i requisiti di precisione di inseguimento sono più stringenti, tipicamente entro ±0,05 gradi per mantenere la messa a fuoco su un piccolo ricevitore. Questi sistemi utilizzano azionamenti servoassistiti con feedback tramite encoder, e i requisiti di accoppiamento combinano la precisione di un'applicazione servoassistita con le sfide ambientali tipiche di un inseguitore solare in ambienti esterni.
Nei tracker CPV e CSP, gli accoppiamenti Oldham sono presenti sia sul collegamento dell'encoder (gioco nullo, isolamento elettrico, carico nullo sui cuscinetti dell'encoder) sia sul collegamento dell'azionamento principale (assorbimento dello spostamento laterale dovuto alla dilatazione termica, carico nullo sui cuscinetti del riduttore di precisione). Per queste applicazioni di precisione in ambienti esterni, si utilizzano in genere mozzi in acciaio inossidabile e dischi in PEEK: l'acciaio inossidabile garantisce resistenza alla corrosione in ambienti costieri o desertici umidi, mentre il PEEK offre la stabilità termica necessaria per il funzionamento continuo in ambienti esterni con temperature elevate.
Selezione dei materiali per applicazioni solari esterne
L'ambiente esterno di un impianto solare impone requisiti in termini di materiali che vanno oltre quelli riscontrati nelle tipiche applicazioni industriali:
Esposizione ai raggi UV: L'acetale standard (POM) è soggetto a degradazione UV in caso di esposizione prolungata all'esterno. Le radiazioni UV degradano la catena polimerica, causando sfarinamento superficiale, fragilità e aumento della resistenza al calore. Nelle applicazioni di inseguimento solare in ambienti esterni, è necessario specificare un acetale stabilizzato ai raggi UV o un materiale alternativo per il disco. Il PEEK rinforzato con fibra di carbonio è intrinsecamente nero e assorbe i raggi UV senza degradarsi, il che lo rende un materiale adatto per dischi da esterno. Se è possibile proteggere l'accoppiamento dalla luce solare diretta con una semplice copertura o protezione, è possibile utilizzare tranquillamente dischi in acetale standard.
Ciclo di condensazione e umidità: Le oscillazioni termiche giornaliere, dalle mattine fredde ai pomeriggi caldi, provocano la formazione di condensa sulle superfici metalliche fredde durante la fase di raffreddamento. Negli ambienti costieri o desertici umidi, la condensa ricca di sali è particolarmente corrosiva per i mozzi in alluminio. L'alluminio 6061 standard, senza trattamenti superficiali specifici, tende a corrodersi in questi ambienti nell'arco di 25 anni. L'alluminio anodizzato offre una migliore resistenza alla corrosione; l'alluminio anodizzato duro è ancora più durevole. Per gli ambienti costieri o con nebbia salina, i mozzi in acciaio inossidabile 316L rappresentano la scelta più prudente per evitare completamente i problemi di corrosione.
Temperature estreme: Gli impianti solari nel deserto sono soggetti a forti escursioni termiche, che vanno da temperature inferiori a -20 °C nelle notti invernali a temperature superiori a +60 °C nei pomeriggi estivi, con temperature dei componenti di accoppiamento che raggiungono livelli ancora più elevati a causa del riscaldamento solare diretto. La fragilità a basse temperature dell'acetale (che diventa significativamente più fragile al di sotto di 0 °C) implica che la sostituzione di un disco o un intervento di manutenzione di emergenza in condizioni di freddo comporti il rischio di frattura fragile se il disco viene maneggiato con noncuranza. La fragilità a basse temperature, decisamente inferiore, del PEEK lo rende una specifica più robusta per gli impianti in climi con notti fredde.
Sfide di accessibilità per la manutenzione
Gli impianti di inseguimento solare in genere coprono ampie aree: un parco solare su larga scala può avere migliaia di inseguitori distribuiti su centinaia di ettari. Il costo di manutenzione di ogni singolo inseguitore rappresenta quindi un fattore operativo significativo, e ridurre al minimo la frequenza degli interventi di manutenzione è un obiettivo primario della progettazione.
L'architettura a dischi sostituibili del giunto Oldham si adatta perfettamente a questo vincolo. Quando la sostituzione del disco si rende necessaria, in genere dopo diversi anni in un'applicazione con inseguitore solare correttamente configurata, l'operazione richiede cinque minuti per giunto, senza riallineare l'albero o smontare la struttura di montaggio. Un tecnico addetto alla manutenzione, munito di un piccolo kit di dischi di ricambio e di una chiave dinamometrica, può intervenire su diversi giunti al giorno. Si confronti questo con i giunti a soffietto, che richiedono la sostituzione completa e il riallineamento, un'operazione che richiede molto più tempo e potrebbe necessitare dell'intervento di due tecnici.
Per gli impianti su larga scala, la società di gestione dovrebbe stabilire un programma di sostituzione dei dischi basato sulla durata di vita prevista per le specifiche condizioni di installazione (clima, ciclo operativo e materiale del disco) e pre-immagazzinare un numero sufficiente di dischi di ricambio per l'intero impianto. Il costo di stoccaggio dei dischi di scorta è minimo rispetto al costo di un intervento di manutenzione non programmato su una fila di inseguitori remota.
Specifiche consigliate per le applicazioni di inseguimento solare
| Tipo di localizzatore / Posizione | Materiale del mozzo | Materiale del disco | Motivo P |
|---|---|---|---|
| HSAT, sito arido interno | Alluminio anodizzato | acetale stabilizzato ai raggi UV o PEEK | Bassa umidità, priorità alla protezione dai raggi UV |
| HSAT, sito costiero o umido | acciaio inossidabile 316L | SBIRCIARE | Resistenza alla nebbia salina e alla condensa |
| HSAT, clima freddo (sotto i -20 °C) | acciaio inossidabile 316L | SBIRCIARE | Resistenza alle basse temperature, nessuna fragilità a freddo. |
| Inseguitore CPV/CSP a doppio asse | acciaio inossidabile 316L | SBIRCIARE | Precisione + ambiente esterno + lunga durata |
Conclusione
I sistemi di inseguimento solare combinano tre requisiti che si presentano singolarmente in altre applicazioni, ma raramente insieme: assorbimento dello spostamento laterale dovuto alla dilatazione termica durante i cicli di temperatura giornalieri che vanno dai 50 agli 80 °C; lunga durata in ambienti esterni con esposizione a raggi UV, umidità e temperature estreme; e accesso minimo per la manutenzione in grandi installazioni distribuite. Il giunto Oldham soddisfa tutti e tre questi requisiti grazie al suo meccanismo a dischi scorrevoli, che assorbe il disallineamento termico senza sopportare carichi per decenni di cicli giornalieri, e alle sue opzioni di materiali, che offrono la resistenza ai raggi UV, alla temperatura e alla corrosione appropriata per ogni clima di installazione. Se correttamente specificato con mozzi in acciaio inossidabile e dischi in PEEK per ambienti difficili, e con materiali stabilizzati ai raggi UV per l'esposizione diretta alla luce solare, un giunto Oldham in un sistema di inseguimento solare funzionerà in modo affidabile per l'intera vita utile di progetto dell'impianto, dai 25 ai 30 anni, con la sola ispezione periodica e la sostituzione dei dischi come intervento di manutenzione.
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