Системи відстеження сонячної енергії є одними з найбільш термодинамічних механічних середовищ, з якими коли-небудь стикається муфта. Привідний двигун трекера, коробка передач і карданний вал починають працювати щодня за температури навколишнього середовища, яка в пустельних сонячних установках може бути нижче нуля взимку вранці, і досягають робочої температури до полудня, коли пряме сонячне випромінювання на конструкцію трекера в поєднанні з високою температурою навколишнього середовища може підвищити температуру конструкційної сталі на 60-80°C вище ранкової базової температури. Цей тепловий цикл повторюється щодня протягом 25-30 років розрахункового терміну служби сонячної установки, накопичуючи тисячі циклів теплового розширення та стиснення на кожному конструктивному елементі та компоненті приводу.
Муфта, що з'єднує приводний двигун та виконавчий механізм трекера з торсіонною трубкою або поворотним приводом, повинна поглинати бічне зміщення вала, що виникає внаслідок цього щоденного теплового розширення, не передаючи руйнівних радіальних сил на підшипники двигуна або коробки передач — і вона повинна надійно робити це протягом десятиліть, у зовнішньому середовищі з впливом ультрафіолетового випромінювання, пилу, екстремальних температур та мінімальним доступом для технічного обслуговування. Олдхемське зчеплення вирішує цю проблему завдяки своїй здатності поглинати бічні зміщення, полімерному диску, що працює всухому, та доступності корозійностійких матеріалів, придатних для зовнішнього монтажу.
Як теплове розширення створює перекіс валів у приводах трекерів
Типовий горизонтальний одноосьовий трекер (HSAT) складається зі сталевої торсіонної труби, що підтримується на підшипниках з рівними інтервалами вздовж її довжини, та приводиться в рух лінійним приводом або поворотним приводом на центральній опорі. Двигун і коробка передач встановлені на нерухомій опорній конструкції поруч з точкою приводу, а муфта з'єднує вихідний вал коробки передач з інтерфейсом приводу торсіонної труби.
Коли конструкція трекера нагрівається протягом дня, сталева торсійна труба та конструкція опори двигуна розширюються від тепла. Оскільки ці дві конструкції мають різну геометрію, різну орієнтацію відносно сонця та різні теплові маси, вони розширюються не з однаковою швидкістю або в одному напрямку. Результатом є щоденний цикл бічного зміщення вала між вихідним валом коробки передач та віссю приводу торсійної труби — зміщення, яке може становити від 0,2 до 0,8 мм при піковій різниці температур залежно від геометрії встановлення та відстані між кріпленням двигуна та підшипником торсійної труби.
Жорстка муфта в цьому положенні передає теплове перекіс як навантаження на згин як на підшипник вихідного вала коробки передач, так і на підшипник торсіонної трубки. Протягом тисяч щоденних теплових циклів — приблизно 3650 циклів на десятиліття — це циклічне навантаження є втомним навантаженням, яке поступово скорочує термін служби підшипника. У сонячній установці, розрахованій на 25 років експлуатації з мінімальним доступом для технічного обслуговування, передчасний вихід підшипника з ладу через навантаження, викликані муфтою, є неприйнятним режимом відмови.
Застосування приводів одноосьового трекера
Горизонтальні одноосьові трекери використовують або централізовану систему приводу — один двигун і редуктор на ряд панелей, підключені до торсіонної трубки в центрі ряду — або розподілену систему приводу з окремими приводами на кожній панелі. В обох конфігураціях з'єднання на інтерфейсі редуктора і торсіонної трубки повинно враховувати описане вище теплове зміщення.
Муфта Oldham використовується в цьому положенні саме для забезпечення нульового навантаження на підшипник при боковому зміщенні. Гнучка муфта, яка створює пружинні сили зворотного ходу — сильфонні або балкові конструкції — передасть циклічне теплове зміщення як циклічне радіальне навантаження на підшипник коробки передач: саме те навантаження від втоми, якого необхідно уникати в установці з мінімізованим 25-річним обслуговуванням. Муфта Oldham поглинає зміщення через свій ковзний диск з нульовою силою реакції, захищаючи коробку передач і підшипники торсіонної трубки від навантажень від втоми, викликаних муфтою, протягом усього терміну служби установки.
Системи приводу трекера не потребують нульового люфту так само, як прецизійні сервосистеми — точність позиціонування панелі, необхідна для максимального збору енергії, зазвичай знаходиться в діапазоні від ±0,1 до ±0,5 градуса, що досяжно за допомогою муфти з невеликим люфтом. Однак у конструкціях трекерів із замкнутим контуром керування положенням на основі енкодера, з'єднання муфти енкодера дійсно вимагає нульового люфту для стабільної роботи контуру керування.
Застосування двоосьових трекерів
Двоосьові трекери (з відстеженням як азимуту, так і висоти) використовуються в концентрованих фотоелектричних системах (CPV) та концентрованих сонячних батареях (CSP), де вимоги до точності відстеження є суворішими — зазвичай у межах ±0,05 градуса для підтримки фокусування на невеликому приймачі. Ці системи використовують сервокеровані приводи зі зворотним зв'язком від енкодера, а вимоги до зв'язку поєднують точність сервопристрою з вимогами зовнішнього середовища сонячного трекера.
У трекерах CPV та CSP муфти Oldham з'являються як на з'єднанні енкодера (нульовий люфт, електрична ізоляція, нульове навантаження на підшипник енкодера), так і на з'єднанні головного приводу (поглинання бічного зміщення від теплового розширення, нульове навантаження на підшипник прецизійної коробки передач приводу). Для цих прецизійних застосувань на відкритому повітрі зазвичай використовуються маточини з нержавіючої сталі та диски з PEEK — нержавіюча сталь забезпечує корозійну стійкість у прибережних або вологих пустельних середовищах, а PEEK забезпечує температурну стабільність, необхідну для безперервної роботи на відкритому повітрі в кліматі з високою температурою навколишнього середовища.
Вибір матеріалів для зовнішнього сонячного обладнання
Зовнішнє середовище сонячної установки вимагає додаткових матеріалів, ніж ті, що зустрічаються в типових промислових застосуваннях:
Вплив ультрафіолетового випромінювання: Стандартний ацеталь (POM) схильний до ультрафіолетового випромінювання при тривалому впливі зовнішнього середовища. Ультрафіолетове випромінювання руйнує полімерний ланцюг, що призводить до крейдіння поверхні, окрихчення та підвищеної крихкості. У випадках застосування трекерів на відкритому повітрі з прямим сонячним промінням слід вказувати ацеталь, стабілізований до ультрафіолету, або альтернативний матеріал для дисків. PEEK, наповнений вуглецевим волокном, за своєю суттю чорний і поглинає ультрафіолетове випромінювання без деградації, що робить його придатним матеріалом для дисків на відкритому повітрі. Якщо можливо захистити муфту від прямих сонячних променів за допомогою простої кришки або захисту, можна впевнено використовувати стандартні ацетальні диски.
Конденсація та циклічне утворення вологи: Щоденні коливання температури від холодного ранку до спекотного дня створюють конденсат на холодних металевих поверхнях під час фази охолодження. У прибережних або вологих пустельних середовищах конденсат, насичений сіллю, особливо корозійний для алюмінієвих маточин. Стандартний алюміній 6061 без спеціальної обробки поверхні корозійно реагуватиме в цих середовищах протягом 25 років служби. Анодований алюміній забезпечує кращу стійкість до корозії; твердо анодований алюміній ще більш довговічний. Для прибережних середовищ або середовищ із соляним туманом маточини з нержавіючої сталі 316L є консервативною специфікацією, яка повністю запобігає проблемам з корозією.
Екстремальні температури: Сонячні установки в пустелі зазнають коливань температури від -20°C взимку вночі до понад +60°C навколишнього середовища влітку вдень, при цьому температура компонентів муфти ще більше підвищується через пряме сонячне нагрівання. Крихкість ацеталю при низьких температурах (він стає значно крихкішим нижче 0°C) означає, що заміна диска або екстрене технічне обслуговування в холодних умовах несе ризик крихкого руйнування, якщо з диском поводитися необережно. Значно нижча крихкість PEEK при низьких температурах робить його більш надійним матеріалом для установок у кліматі холодних ночей.
Проблеми доступності технічного обслуговування
Встановлення сонячних трекерів зазвичай охоплює великі площі — сонячна електростанція комунального масштабу може мати тисячі трекерних приводів, розподілених на сотнях гектарів. Тому вартість обслуговування кожного окремого з'єднання є суттєвим експлуатаційним фактором, а мінімізація частоти технічного обслуговування є основною метою проектування.
Архітектура змінних дисків муфти Oldham добре підходить для цього обмеження. Коли врешті-решт потрібна заміна диска — зазвичай після кількох років використання правильно визначеного сонячного трекера — заміна займає п'ять хвилин на кожну муфту без необхідності повторного вирівнювання вала або порушення монтажної конструкції. Технік з технічного обслуговування з невеликим комплектом змінних дисків та динамометричним ключем може обслуговувати кілька муфт на день. Порівняйте це з сильфонними муфтами, які потребують повної заміни та повторного вирівнювання, що займає значно більше часу та може вимагати двох техніків.
Для установок комунального масштабу експлуатаційна компанія повинна розробити програму заміни дисків на основі очікуваного терміну служби для конкретних умов установки — клімату, робочого циклу та матеріалу дисків — та попередньо мати на складі достатню кількість запасних дисків для повної установки. Вартість зберігання запасних дисків мінімальна порівняно з вартістю незапланованого виїзду на віддалений трекер.
Рекомендовані специфікації для застосувань сонячного трекера
| Тип/місцезнаходження трекера | Матеріал маточини | Матеріал диска | Ключова причина |
|---|---|---|---|
| HSAT, внутрішня посушлива ділянка | Анодований алюміній | УФ-стабілізований ацеталь або PEEK | Низька вологість, пріоритет захисту від ультрафіолету |
| HSAT, прибережна або вологе місце | Нержавіюча сталь 316L | PEEK | Стійкість до сольового туману та конденсату |
| HSAT, холодний клімат (нижче -20°C) | Нержавіюча сталь 316L | PEEK | Низькотемпературна в'язкість, відсутність холодноламкості |
| Двоосьовий трекер CPV/CSP | Нержавіюча сталь 316L | PEEK | Точність + зовнішнє середовище + тривалий термін служби |
Висновок
Приводи сонячних трекерів поєднують три вимоги, які окремо зустрічаються в інших застосуваннях, але рідко разом: поглинання бічного зміщення від теплового розширення протягом щоденних температурних циклів від 50 до 80°C; тривалий термін служби у зовнішніх умовах з впливом ультрафіолетового випромінювання, вологи та екстремальних температур; та мінімальний обсяг технічного обслуговування у великих розподілених установках. Муфта Oldham відповідає всім трьом вимогам завдяки своєму механізму ковзного диска, який поглинає теплове зміщення, не несучи навантажень протягом десятиліть щоденного циклу, та варіантам матеріалів, які забезпечують стійкість до ультрафіолетового випромінювання, температури та корозії, відповідну для кожного клімату установки. Правильно визначена з використанням маточин з нержавіючої сталі та дисків PEEK для складних умов, а також з УФ-стабілізованих матеріалів для впливу прямих сонячних променів, муфта Oldham у приводі сонячного трекера надійно працюватиме протягом усього проектного терміну служби установки від 25 до 30 років, при цьому вимога до технічного обслуговування полягає лише у періодичній перевірці та заміні дисків.
Перегляньте наші Асортимент муфт Oldham для зовнішнього застосування та сонячних батарей з маточиною з нержавіючої сталі та диском з PEEK, або зв'яжіться з нашою командою для отримання рекомендацій щодо вибору матеріалів, що відповідають умовам встановлення та конструкції трекера.
