Giunti Oldham nei sistemi di inseguimento solare: gestione della dilatazione termica negli azionamenti esterni

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.

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 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

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.

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: 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.

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.

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.

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

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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