Sprzęgła Oldham w systemach śledzenia słońca: radzenie sobie z rozszerzalnością cieplną w napędach zewnętrznych

Systemy śledzenia słońca należą do najbardziej dynamicznych termicznie środowisk mechanicznych, z jakimi kiedykolwiek zetknie się sprzęgło. Silnik napędowy układu śledzącego, przekładnia i wał napędowy rozpoczynają pracę każdego dnia w temperaturze otoczenia – która w instalacjach solarnych na pustyni może spadać poniżej zera w zimowe poranki – i osiągają temperaturę roboczą w południe, kiedy to bezpośrednie promieniowanie słoneczne padające na konstrukcję układu śledzącego w połączeniu z wysoką temperaturą otoczenia może podnieść temperaturę stali konstrukcyjnej o 60–80°C powyżej porannej temperatury bazowej. Ten cykl termiczny powtarza się każdego dnia przez 25–30 lat projektowanego okresu eksploatacji instalacji solarnej, kumulując tysiące cykli rozszerzalności i kurczenia cieplnego na każdym elemencie konstrukcyjnym i komponencie napędowym.

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 Sprzęgło Oldhama radzi sobie z tym wyzwaniem dzięki swojej zdolności do absorpcji z przesunięciem bocznym, pracującemu na sucho polimerowemu dyskowi i dostępności materiałów odpornych na korozję, odpowiednich do montażu na zewnątrz.

Jak rozszerzalność cieplna powoduje niewspółosiowość wałów w napędach trackerowych

Typowy poziomy tracker jednoosiowy (HSAT) składa się ze stalowej rury reakcyjnej, podpartej na łożyskach rozmieszczonych w regularnych odstępach wzdłuż jej długości, napędzanej siłownikiem liniowym lub napędem obrotowym na podporze centralnej. Silnik i przekładnia są zamontowane na stałej konstrukcji wsporczej przylegającej do punktu napędowego, a sprzęgło łączy wał wyjściowy przekładni z interfejsem napędowym rury reakcyjnej.

W miarę nagrzewania się konstrukcji trackera w ciągu dnia, stalowa rura skrętna i konstrukcja nośna silnika rozszerzają się termicznie. Ponieważ obie konstrukcje mają różną geometrię, inną orientację względem słońca i inną masę termiczną, nie rozszerzają się one dokładnie w tym samym tempie ani w tym samym kierunku. W rezultacie powstaje dobowy cykl bocznego przesunięcia wału między wałem wyjściowym skrzyni biegów a osią napędową rury skrętnej – przesunięcie, które może wynosić od 0,2 do 0,8 mm przy maksymalnej różnicy temperatur, w zależności od geometrii instalacji i odległości między mocowaniem silnika a łożyskiem rury skrętnej.

Sztywne sprzęgło w tej pozycji przenosi niewspółosiowość termiczną jako obciążenie zginające zarówno na łożysko wału wyjściowego skrzyni biegów, jak i na łożysko rury reakcyjnej. W ciągu tysięcy dziennych cykli termicznych – około 3650 cykli na dekadę – to obciążenie cykliczne jest obciążeniem zmęczeniowym, które stopniowo skraca żywotność łożysk. W instalacji solarnej zaprojektowanej na 25 lat eksploatacji z minimalnym dostępem konserwacyjnym, przedwczesne uszkodzenie łożyska spowodowane obciążeniami wywołanymi przez sprzęgło jest niedopuszczalnym rodzajem awarii.

Zastosowania napędów śledzących jednoosiowych

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.

Systemy napędowe trackerów nie wymagają zerowego luzu w takim samym stopniu, jak precyzyjne systemy serwomechanizmów – dokładność pozycjonowania panelu wymagana do uzyskania maksymalnej ilości energii mieści się zazwyczaj w zakresie od ±0,1 do ±0,5 stopnia, co jest możliwe do osiągnięcia przy zastosowaniu sprzęgła o niewielkim luzie. Jednak w konstrukcjach trackerów z enkoderowym sterowaniem położenia w pętli zamkniętej, połączenie sprzęgła enkodera wymaga zerowego luzu dla zapewnienia stabilnej pracy pętli sterowania.

Zastosowania trackerów dwuosiowych

Trackery dwuosiowe (śledzące azymut i elewację) są stosowane w zastosowaniach skoncentrowanej energii fotowoltaicznej (CPV) i skoncentrowanej energii słonecznej (CSP), gdzie wymagania dotyczące dokładności śledzenia są bardziej rygorystyczne – zazwyczaj w granicach ±0,05 stopnia, aby utrzymać ostrość na małym odbiorniku. Systemy te wykorzystują napędy sterowane serwomechanizmem ze sprzężeniem zwrotnym z enkodera, a wymagania dotyczące sprzężenia łączą precyzję zastosowania serwomechanizmu z wyzwaniami środowiska zewnętrznego, jakie stawia tracker słoneczny.

W trackerach CPV i CSP sprzęgła Oldhama występują zarówno na połączeniu enkodera (brak luzu, izolacja elektryczna, zerowe obciążenie łożyska enkodera), jak i na połączeniu napędu głównego (absorbcja przesunięcia bocznego z powodu rozszerzalności cieplnej, zerowe obciążenie łożyska precyzyjnej przekładni napędowej). Do tych precyzyjnych zastosowań zewnętrznych zazwyczaj stosuje się piasty ze stali nierdzewnej i tarcze z PEEK – stal nierdzewna zapewnia odporność na korozję w środowisku przybrzeżnym lub wilgotnym środowisku pustynnym, a PEEK zapewnia stabilność temperaturową niezbędną do ciągłej pracy na zewnątrz w klimacie o wysokiej temperaturze otoczenia.

Wybór materiałów do zastosowań solarnych na zewnątrz

Środowisko zewnętrzne instalacji solarnej wiąże się z wymaganiami materiałowymi wykraczającymi poza te spotykane w typowych zastosowaniach przemysłowych:

Ekspozycja na promieniowanie UV: Standardowy acetal (POM) jest podatny na degradację pod wpływem promieniowania UV w wyniku długotrwałej ekspozycji na warunki atmosferyczne. Promieniowanie UV rozbija łańcuch polimeru, powodując kredowanie powierzchni, kruchość i zwiększoną kruchość. W zastosowaniach trackerów zewnętrznych z bezpośrednim nasłonecznieniem należy wybrać acetal stabilizowany UV lub alternatywny materiał na tarcze. PEEK wypełniony włóknem węglowym jest z natury czarny i pochłania promieniowanie UV bez degradacji, co czyni go odpowiednim materiałem na tarcze do zastosowań zewnętrznych. Jeśli możliwe jest osłonięcie sprzęgła przed bezpośrednim działaniem promieni słonecznych za pomocą prostej osłony, można śmiało stosować standardowe tarcze acetalowe.

Kondensacja i cykle wilgoci: Codzienne wahania temperatury, od chłodnych poranków do gorących popołudni, powodują skraplanie się pary wodnej na zimnych powierzchniach metalowych w fazie schładzania. W środowiskach przybrzeżnych lub wilgotnych pustyniach, kondensacja soli jest szczególnie korozyjna dla piast aluminiowych. Standardowe aluminium 6061 bez specjalnej obróbki powierzchni będzie ulegać korozji w takich środowiskach przez 25 lat użytkowania. Anodowane aluminium zapewnia lepszą odporność na korozję; aluminium anodowane na twardo jest jeszcze trwalsze. W środowiskach przybrzeżnych lub w słonej mgle, piasty ze stali nierdzewnej 316L to konserwatywna specyfikacja, która całkowicie eliminuje ryzyko korozji.

Ekstremalne temperatury: 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.

Wyzwania związane z dostępnością konserwacyjną

Instalacje trackerów słonecznych zazwyczaj obejmują duże obszary – farma słoneczna na skalę przemysłową może mieć tysiące napędów trackerów rozproszonych na setkach hektarów. Koszt utrzymania każdego sprzęgła z osobna jest zatem istotnym czynnikiem operacyjnym, a minimalizacja częstotliwości konserwacji jest głównym celem projektowym.

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.

W przypadku instalacji na skalę przemysłową, firma eksploatująca powinna opracować program wymiany tarcz, oparty na przewidywanej żywotności w określonych warunkach instalacji – klimacie, cyklu pracy i materiale tarczy – oraz wstępnie zaopatrzyć się w wystarczającą liczbę tarcz zamiennych na całą instalację. Koszt magazynowania tarcz zapasowych jest minimalny w porównaniu z kosztem nieplanowanej interwencji serwisowej w odległym rzędzie trackerów.

Zalecana specyfikacja dla zastosowań trackerów słonecznych

Wniosek

Napędy nadążne za słońcem łączą w sobie trzy wymagania, które występują osobno w innych zastosowaniach, ale rzadko razem: absorpcję przesunięcia bocznego wynikającego z rozszerzalności cieplnej w dziennych cyklach temperaturowych od 50 do 80°C; długą żywotność w środowiskach zewnętrznych z narażeniem na promieniowanie UV, wilgoć i ekstremalne temperatury; oraz minimalny dostęp konserwacyjny w dużych, rozproszonych instalacjach. Sprzęgło Oldham spełnia wszystkie trzy wymagania dzięki mechanizmowi tarczy ślizgowej — który absorbuje odchylenia termiczne bez przenoszenia obciążeń przez dziesięciolecia codziennych cykli — oraz opcjom materiałowym, które zapewniają odporność na promieniowanie UV, temperaturę i korozję odpowiednią do każdego klimatu instalacji. Prawidłowo dobrane z piastami ze stali nierdzewnej i tarczami PEEK do wymagających środowisk oraz materiałami stabilizowanymi UV do bezpośredniego narażenia na działanie promieni słonecznych, sprzęgło Oldham w napędzie nadążnym za słońcem będzie działać niezawodnie przez cały okres użytkowania instalacji wynoszący od 25 do 30 lat, a jego konserwacja będzie wymagała jedynie okresowych przeglądów i wymiany tarcz.

Przeglądaj nasze Seria złącz Oldham do zastosowań zewnętrznych i solarnych z piastą ze stali nierdzewnej i tarczą PEEK lub skontaktuj się z naszym zespołem aby uzyskać wskazówki dotyczące wyboru materiałów dostosowanych do klimatu instalacji i konstrukcji trackera.