Hệ thống theo dõi năng lượng mặt trời là một trong những môi trường cơ khí có sự biến đổi nhiệt mạnh nhất mà một khớp nối từng gặp phải. Động cơ dẫn động, hộp số và trục dẫn động của hệ thống theo dõi bắt đầu mỗi ngày ở nhiệt độ môi trường xung quanh — mà trong các hệ thống năng lượng mặt trời ở sa mạc, nhiệt độ này có thể xuống dưới mức đóng băng vào buổi sáng mùa đông — và đạt đến nhiệt độ hoạt động vào giữa trưa, khi bức xạ mặt trời trực tiếp chiếu vào cấu trúc theo dõi kết hợp với nhiệt độ môi trường cao có thể đẩy nhiệt độ thép kết cấu lên đến 60 đến 80°C so với mức cơ bản buổi sáng. Chu kỳ nhiệt này lặp lại mỗi ngày trong suốt vòng đời thiết kế 25 đến 30 năm của hệ thống năng lượng mặt trời, tích lũy hàng nghìn chu kỳ giãn nở và co lại do nhiệt trên mỗi cấu kiện kết cấu và bộ phận truyền động.
Khớp nối giữa động cơ dẫn động và bộ truyền động của thiết bị theo dõi với ống momen xoắn hoặc bộ truyền động quay phải hấp thụ độ lệch trục ngang do sự giãn nở nhiệt hàng ngày mà không truyền lực hướng tâm gây hư hại đến ổ trục của động cơ hoặc hộp số — và nó phải hoạt động đáng tin cậy trong nhiều thập kỷ, trong môi trường ngoài trời với tia cực tím, bụi bẩn, nhiệt độ khắc nghiệt và khả năng bảo trì hạn chế. Khớp nối Oldham Sản phẩm giải quyết thách thức này nhờ khả năng hấp thụ lệch ngang, đĩa polymer hoạt động khô ráo và có sẵn các vật liệu chống ăn mòn phù hợp cho việc lắp đặt ngoài trời.
Nguyên lý giãn nở nhiệt gây ra hiện tượng lệch trục trong hệ thống truyền động Tracker
Một hệ thống theo dõi trục đơn ngang (HSAT) điển hình bao gồm một ống xoắn bằng thép được đỡ trên các ổ trục đặt cách đều nhau dọc theo chiều dài của nó, được dẫn động bởi một bộ truyền động tuyến tính hoặc một bộ truyền động quay tại giá đỡ trung tâm. Động cơ và hộp số được gắn trên một cấu trúc đỡ cố định liền kề với điểm dẫn động, với một khớp nối kết nối trục đầu ra của hộp số với giao diện dẫn động của ống xoắn.
Khi cấu trúc giá đỡ nóng lên trong ngày, ống truyền mô-men xoắn bằng thép và cấu trúc đỡ động cơ giãn nở do nhiệt. Vì hai cấu trúc này có hình dạng khác nhau, hướng khác nhau so với mặt trời và khối lượng nhiệt khác nhau, nên chúng không giãn nở với tốc độ hoặc hướng hoàn toàn giống nhau. Kết quả là tạo ra một chu kỳ lệch trục ngang hàng ngày giữa trục đầu ra của hộp số và trục truyền động của ống truyền mô-men xoắn — độ lệch này có thể từ 0,2 đến 0,8 mm ở mức chênh lệch nhiệt độ cao nhất tùy thuộc vào hình dạng lắp đặt và khoảng cách giữa giá đỡ động cơ và ổ trục của ống truyền mô-men xoắn.
Khớp nối cứng ở vị trí này truyền độ lệch nhiệt dưới dạng tải uốn lên cả ổ trục đầu ra hộp số và ổ trục ống momen xoắn. Trải qua hàng nghìn chu kỳ nhiệt mỗi ngày — khoảng 3.650 chu kỳ mỗi thập kỷ — tải trọng chu kỳ này là tải trọng mỏi làm giảm dần tuổi thọ của ổ trục. Trong một hệ thống năng lượng mặt trời được thiết kế để hoạt động trong 25 năm với khả năng bảo trì tối thiểu, việc ổ trục bị hỏng sớm do tải trọng gây ra bởi khớp nối là một kiểu hỏng hóc không thể chấp nhận được.
Ứng dụng truyền động theo dõi một trục
Các hệ thống theo dõi trục đơn nằm ngang sử dụng hệ thống truyền động tập trung — một động cơ và hộp số cho mỗi hàng tấm, được kết nối với ống momen xoắn ở trung tâm hàng — hoặc hệ thống truyền động phân tán với các bộ truyền động riêng lẻ tại mỗi tấm. Trong cả hai cấu hình, khớp nối tại giao diện hộp số-ống momen xoắn phải bù đắp cho sự sai lệch nhiệt độ đã mô tả ở trên.
Khớp nối Oldham được sử dụng ở vị trí này đặc biệt là nhờ khả năng bù lệch ngang mà không gây tải trọng lên ổ trục. Một khớp nối mềm tạo ra lực đàn hồi — kiểu ống xếp hoặc kiểu dầm — sẽ truyền sự lệch tâm nhiệt tuần hoàn dưới dạng tải trọng hướng tâm tuần hoàn lên ổ trục hộp số: chính xác là tải trọng mỏi cần tránh trong một hệ thống có tuổi thọ bảo trì tối thiểu 25 năm. Khớp nối Oldham hấp thụ độ lệch thông qua đĩa trượt của nó với lực phản hồi bằng không, bảo vệ ổ trục hộp số và ống dẫn mô-men xoắn khỏi tải trọng mỏi do khớp nối gây ra trong suốt vòng đời hoạt động của hệ thống.
Hệ thống truyền động của bộ theo dõi không yêu cầu độ rơ bằng không giống như hệ thống servo chính xác — độ chính xác định vị tấm pin cần thiết để thu hoạch năng lượng tối đa thường nằm trong khoảng ±0,1 đến ±0,5 độ, có thể đạt được với khớp nối có độ rơ vừa phải. Tuy nhiên, trong các thiết kế bộ theo dõi với điều khiển vị trí vòng kín dựa trên bộ mã hóa, kết nối khớp nối bộ mã hóa yêu cầu độ rơ bằng không để vòng điều khiển hoạt động ổn định.
Ứng dụng bộ theo dõi hai trục
Hệ thống theo dõi hai trục (theo dõi cả phương vị và độ cao) được sử dụng trong các ứng dụng quang điện tập trung (CPV) và năng lượng mặt trời tập trung (CSP) nơi yêu cầu độ chính xác theo dõi nghiêm ngặt hơn — thường trong phạm vi ±0,05 độ để duy trì tiêu điểm trên một bộ thu nhỏ. Các hệ thống này sử dụng bộ truyền động điều khiển servo với phản hồi bộ mã hóa, và các yêu cầu ghép nối kết hợp độ chính xác của ứng dụng servo với những thách thức của môi trường ngoài trời đối với một hệ thống theo dõi năng lượng mặt trời.
Trong các hệ thống theo dõi CPV và CSP, khớp nối Oldham xuất hiện ở cả điểm kết nối bộ mã hóa (không có độ rơ, cách điện, không tải trọng lên ổ trục của bộ mã hóa) và điểm kết nối truyền động chính (hấp thụ độ lệch ngang do giãn nở nhiệt, không tải trọng lên hộp số truyền động chính xác). Các trục bằng thép không gỉ và đĩa PEEK thường được chỉ định cho các ứng dụng chính xác ngoài trời này — thép không gỉ cung cấp khả năng chống ăn mòn trong môi trường ven biển hoặc sa mạc ẩm ướt, và PEEK cung cấp độ ổn định nhiệt cần thiết cho hoạt động liên tục ngoài trời trong điều kiện khí hậu có nhiệt độ môi trường cao.
Lựa chọn vật liệu cho các ứng dụng năng lượng mặt trời ngoài trời
Môi trường ngoài trời của một hệ thống năng lượng mặt trời đặt ra những yêu cầu về vật liệu vượt xa những yêu cầu thường gặp trong các ứng dụng công nghiệp thông thường:
Tiếp xúc với tia cực tím: Nhựa acetal tiêu chuẩn (POM) dễ bị phân hủy do tia UV khi tiếp xúc lâu dài với môi trường ngoài trời. Tia UV phá vỡ chuỗi polymer, gây ra hiện tượng phấn hóa bề mặt, giòn và tăng độ giòn. Trong các ứng dụng theo dõi ngoài trời tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời, nên sử dụng loại nhựa acetal ổn định tia UV hoặc vật liệu đĩa thay thế khác. Nhựa PEEK chứa sợi carbon có màu đen tự nhiên và hấp thụ tia UV mà không bị phân hủy, do đó rất phù hợp làm vật liệu đĩa ngoài trời. Nếu có thể che chắn khớp nối khỏi ánh nắng mặt trời trực tiếp bằng một lớp vỏ hoặc tấm chắn đơn giản, thì có thể yên tâm sử dụng đĩa acetal tiêu chuẩn.
Sự ngưng tụ và chu trình ẩm: Sự thay đổi nhiệt độ hàng ngày từ buổi sáng lạnh đến buổi chiều nóng tạo ra hiện tượng ngưng tụ trên các bề mặt kim loại lạnh trong giai đoạn làm nguội. Trong môi trường ven biển hoặc sa mạc ẩm ướt, hơi nước chứa muối đặc biệt ăn mòn các trục bánh xe bằng nhôm. Nhôm 6061 tiêu chuẩn không được xử lý bề mặt đặc biệt sẽ bị ăn mòn trong những môi trường này trong suốt 25 năm sử dụng. Nhôm được anot hóa có khả năng chống ăn mòn tốt hơn; nhôm anot hóa cứng thậm chí còn bền hơn. Đối với môi trường ven biển hoặc có sương muối, trục bánh xe bằng thép không gỉ 316L là lựa chọn an toàn nhất, hoàn toàn tránh được các vấn đề về ăn mòn.
Nhiệt độ cực đoan: Các hệ thống năng lượng mặt trời ở sa mạc phải chịu sự biến động nhiệt độ từ dưới -20°C vào ban đêm mùa đông đến trên +60°C vào buổi chiều mùa hè, với nhiệt độ các bộ phận ghép nối còn tăng cao hơn nữa do sự gia nhiệt trực tiếp từ mặt trời. Tính giòn ở nhiệt độ thấp của Acetal — nó trở nên giòn hơn đáng kể dưới 0°C — có nghĩa là việc thay thế đĩa hoặc thực hiện bảo trì khẩn cấp trong điều kiện lạnh tiềm ẩn nguy cơ gãy giòn nếu đĩa được xử lý bất cẩn. Tính giòn ở nhiệt độ thấp hơn nhiều của PEEK làm cho nó trở thành vật liệu bền hơn cho các hệ thống lắp đặt ở những vùng khí hậu có đêm lạnh.
Những thách thức về khả năng tiếp cận trong bảo trì
Hệ thống theo dõi hướng mặt trời thường trải rộng trên diện tích lớn — một trang trại điện mặt trời quy mô lớn có thể có hàng nghìn bộ truyền động theo dõi trải khắp hàng trăm hecta. Do đó, chi phí bảo trì từng khớp nối riêng lẻ là một yếu tố quan trọng cần xem xét trong quá trình vận hành, và việc giảm thiểu tần suất bảo trì là mục tiêu thiết kế chính.
Cấu trúc đĩa có thể thay thế của khớp nối Oldham rất phù hợp với yêu cầu này. Khi cần thay thế đĩa – thường là sau vài năm sử dụng trong một hệ thống theo dõi năng lượng mặt trời được thiết kế đúng cách – việc thay thế chỉ mất năm phút cho mỗi khớp nối mà không cần căn chỉnh lại trục hoặc làm xáo trộn cấu trúc lắp đặt. Một kỹ thuật viên bảo trì với một bộ dụng cụ nhỏ gồm các đĩa thay thế và một cờ lê lực có thể bảo dưỡng nhiều khớp nối mỗi ngày. Hãy so sánh điều này với các khớp nối kiểu ống xếp cần phải thay thế và căn chỉnh lại hoàn toàn, việc này mất thời gian lâu hơn đáng kể và có thể cần đến hai kỹ thuật viên.
Đối với các hệ thống quy mô lớn, công ty vận hành nên thiết lập chương trình thay thế đĩa dựa trên tuổi thọ dự kiến cho các điều kiện lắp đặt cụ thể — khí hậu, chu kỳ vận hành và vật liệu đĩa — và dự trữ đủ đĩa thay thế cho toàn bộ hệ thống. Chi phí dự trữ đĩa dự phòng là rất nhỏ so với chi phí cho một lần bảo trì đột xuất đến một dãy máy dò ở vùng xa.
Thông số kỹ thuật được đề xuất cho các ứng dụng theo dõi năng lượng mặt trời
| Loại/Vị trí thiết bị theo dõi | Vật liệu trục | Vật liệu đĩa | Lý do chính |
|---|---|---|---|
| HSAT, địa điểm khô hạn nội địa | Nhôm anot hóa | Acetat hoặc PEEK ổn định tia UV | Độ ẩm thấp, ưu tiên chống tia UV |
| HSAT, khu vực ven biển hoặc ẩm ướt | Thép không gỉ 316L | NHÌN TRỘM | Khả năng chống ăn mặn và ngưng tụ |
| HSAT, khí hậu lạnh (dưới -20°C) | Thép không gỉ 316L | NHÌN TRỘM | Độ bền cao ở nhiệt độ thấp, không bị giòn khi nguội. |
| Bộ theo dõi CPV/CSP hai trục | Thép không gỉ 316L | NHÌN TRỘM | Độ chính xác cao + Môi trường ngoài trời + Tuổi thọ cao |
Phần kết luận
Bộ truyền động theo dõi năng lượng mặt trời kết hợp ba yêu cầu thường xuất hiện riêng lẻ trong các ứng dụng khác nhưng hiếm khi cùng nhau: khả năng hấp thụ độ lệch ngang do giãn nở nhiệt trong chu kỳ nhiệt độ hàng ngày từ 50 đến 80°C; tuổi thọ cao trong môi trường ngoài trời với tia cực tím, độ ẩm và nhiệt độ khắc nghiệt; và khả năng tiếp cận bảo trì tối thiểu trong các hệ thống lắp đặt phân tán lớn. Khớp nối Oldham giải quyết cả ba vấn đề này thông qua cơ chế đĩa trượt – giúp hấp thụ độ lệch nhiệt mà không chịu tải trọng trong suốt hàng thập kỷ hoạt động hàng ngày – và các tùy chọn vật liệu, cung cấp khả năng chống tia cực tím, nhiệt độ và ăn mòn phù hợp với từng điều kiện khí hậu lắp đặt. Được lựa chọn chính xác với trục bằng thép không gỉ và đĩa PEEK cho môi trường khắc nghiệt, và với vật liệu ổn định tia cực tím cho tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời, khớp nối Oldham trong bộ truyền động theo dõi năng lượng mặt trời sẽ hoạt động đáng tin cậy trong suốt vòng đời thiết kế từ 25 đến 30 năm của hệ thống lắp đặt chỉ với việc kiểm tra và thay thế đĩa định kỳ là yêu cầu bảo trì duy nhất.
Hãy xem qua trang của chúng tôi. Dòng sản phẩm khớp nối Oldham dành cho ứng dụng ngoài trời và năng lượng mặt trời. với tùy chọn trục bằng thép không gỉ và đĩa PEEK, hoặc liên hệ với nhóm của chúng tôi Để được hướng dẫn lựa chọn vật liệu phù hợp với điều kiện khí hậu lắp đặt và thiết kế hệ thống theo dõi của bạn.
