Корея Ever-Power · Ръководство за приложно инженерство
Червяк и червячно колело за задвижвания за завъртане на слънчеви тракери
Слънчева ферма с 5000 тракера проследява слънцето от изток на запад всеки ден в продължение на 25 години - приблизително 9000 цикъла от зазоряване до здрач на тракер. Всеки тракер съдържа 60 квадратни метра слънчеви панели, които действат като платно във вятъра, генерирайки тягови товари от 2000 до 8000 N в зависимост от скоростта на вятъра. Червячната зъбна предавка вътре в задвижващото устройство за завъртане е единственият компонент между панела и вятъра - тя трябва да задържи позиция при порив от 40 м/с, да се движи плавно при 15 градуса на час и да издържи 25 години на открито, под въздействието на UV лъчи, дъжд и температурни цикли без основен ремонт.
Задвижванията за слънчеви тракери използват червячни зъбни колела, защото самозаключването държи ъгъла на панела срещу ветрови натоварвания без непрекъснато захранване на двигателя, бавната скорост на проследяване (15 градуса на час за едноосни системи) съответства на високото предавателно число и ниската скорост на изхода на червячна зъбна двойка, а интегрираният формат на задвижването за въртене (червячна зъбна двойка плюс лагер плюс корпус в едно запечатано устройство) осигурява компактен, инсталиран на място модул. Моделът за работа от сутрин до вечер съпоставя дневния цикъл на проследяване с годишни работни часове (от 3000 до 5000), 25-годишния експлоатационен живот (от 75 000 до 125 000 работни часа) и графика за поддръжка, който този екстремен експлоатационен живот изисква. Вятърното натоварване е доминиращата проектна сила - панел от 60 м² при вятър от 40 м/с генерира приблизително 12 000 N тяга, произвеждайки от 2400 до 6000 N·m въртящ момент в задвижването за въртене, в зависимост от рамото на момента. Червячната зъбна предавка трябва да държи това натоварване статично чрез самозаключване, докато двигателят е изключен - което е 90 процента от времето (тракерът се движи бавно, след което задържа позицията си, докато панелите генерират енергия).
Защо соларните тракери използват червячни зъбни колела
Слънчевият тракер завърта панелен масив, за да следва слънцето по небето, увеличавайки улавянето на енергия с 25 до 40 процента в сравнение с инсталация с фиксиран наклон. Едноосните тракери се въртят от изток на запад около хоризонтална ос север-юг. Двуосните тракери добавят ос на наклона за сезонно регулиране на височината. И двата вида изискват червячно задвижване, което се движи много бавно (слънцето се завърта с 15 градуса на час), държи позицията си здраво срещу вятъра (панелът е голямо платно) и издържа 25 години на открито с минимална поддръжка.
Червячното задвижване с предавка – интегриран модул, съдържащ червячна зъбна двойка, въртящ се лагер и запечатан корпус – се е превърнал в стандарт за слънчеви тракери, защото изпълнява и трите изисквания в един болтов модул.
Самозаключването държи панела под ъгъла му на проследяване срещу пориви на вятъра без захранване от мотор. Червячният мотор е изключен в 85 до 95 процента от времето — червячният тракер регулира позицията си на всеки 5 до 15 минути на малки стъпки, след което задържа. По време на буря тракерът може да се прибере хоризонтално и самозаключването го държи там с часове или дни.
Слънцето се движи със скорост от 15 градуса на час. Червячна зъбна предавка с предавателно число 60:1 и малък DC мотор с 30 оборота в минута произвеждат 0,5 оборота в минута - 3 градуса в минута по оста на тракера. Контролерът импулсира червячния мотор за няколко секунди на всеки 10 до 15 минути, за да проследи слънцето. Общо дневно време на работа на мотора: от 15 до 45 минути.
Слънчевите панели имат 25-годишна гаранция за производителност. Механизмът за проследяване трябва да отговаря на този срок на експлоатация – без планиран основен ремонт, без подмяна на колела, без повторно смазване в много инсталации. Това изисква запечатана грес за цял живот, UV-устойчиви уплътнения и защитени от корозия корпуси, които издържат на над 9000 термични цикъла ден/нощ.
Модел за дежурство от сутрин до здрач — ежедневен цикъл на проследяване до спецификация за 25-годишен експлоатационен живот
Червячната зъбна предавка на соларния тракер има уникален профил на работа: много леки натоварвания по време на проследяване (само въртящ момент на двигателя, без външно натоварване), много тежки статични натоварвания по време на ветрови събития (пълна тяга на вятъра, изключен двигател) и силно предвидим дневен цикъл, който се повтаря 365 дни в годината в продължение на 25 години. Моделът „от сутрин до вечер“ количествено определя този цикъл.
Моделът разкрива важна информация: двигателят на червячната зъбна предавка работи само 120 часа годишно (сутрешно връщане + вечерно прибиране + периодични импулси за проследяване) - но функцията за самоблокиране е активна 8640 часа годишно (пълният 24-часов ден минус кратките периоди на работа на двигателя). За 25 години общият брой часове, задвижвани от червячния двигател, е само 3000 - тривиално малко от гледна точка на механично износване. Но общият брой часове на статично задържане (самозаключване под вятърно натоварване) е приблизително 216 000 часа. Предизвикателството при проектирането не е механичното износване от движение, а статичната корозия, деградацията на уплътненията и живота на греста в продължение на 25 години непрекъснато излагане на открито с минимално въртене за преразпределение на смазката.
Натоварване от вятър — панелът като платно и червячната зъбна двойка като котва
Слънчевият панел е аеродинамично подобен на плоска плоча - форма, която създава най-висок коефициент на съпротивление (Cd от 1,1 до 1,3 за плоска плоча, перпендикулярна на вятъра) от всички конструкции. Силата на вятърния натиск върху едноосен тракер с площ 60 м² при проектна скорост на вятъра 40 м/с е F = 0,5 × 1,225 × 40² × 1,2 × 60 = приблизително 70 560 N (в най-лошия случай - перпендикулярна ориентация). На практика тракерът се прибира в плоско състояние (намалявайки ефективната площ с 80 до 90 процента), преди да нахлуе силен вятър, намалявайки действителната сила до приблизително 7000 до 14 000 N в прибрано положение.
Въртящият момент при задвижването на въртене зависи от рамото на момента между центъра на налягането на силата на вятъра и оста на въртене на тракера. За едноосен тракер с 12-метрова торсионна тръба: рамото на момента е приблизително от 1 до 3 метра (ексцентричност между центъра на силата и оста), което произвежда от 7000 до 42 000 N·m въртящ момент на вятъра в сгънато състояние. Червячната зъбна предавка трябва да устои на този въртящ момент статично чрез самозаключване, а самозаключващата се задържаща способност трябва да надвишава максималния проектен въртящ момент на вятъра с коефициент на безопасност от 1,5 до 2,0 съгласно кодовете за конструктивно проектиране (ASCE 7, Еврокод 1).
Корейски разработчик на соларни паркове инсталира 2400 едноосни тракера в фотоволтаична централа с мощност 50 MW. Всеки тракер използва червячна предавка с номинален въртящ момент от 3500 N·m. През третата година тайфунът Хиннамнор (септември 2022 г.) донесе на обекта постоянни ветрове от 45 m/s. Всички тракери бяха прибрани в плоско състояние преди пристигането на тайфуна. Инспекцията след тайфуна установи, че 18 тракера имат панелен масив, завъртян на 15 до 25 градуса от прибраното положение - самозаключващите се панели се бяха подхлъзнали под екстремния въртящ момент на вятъра. Разследване: изчисленият въртящ момент на вятъра при 45 m/s върху прибраните панели е 4200 N·m - надвишавайки номиналния въртящ момент от 3500 N·m с 20%. Първоначалната спецификация е използвала проектен вятър от 35 m/s (50-годишният период на повторяемост на обекта), но действителният тайфун е надвишил това с 29%. Не са възникнали структурни повреди (панелите са се наклонили, но не са се отделили), но 18-те тракера са изисквали ръчно препозициониране и повторно подравняване. Коригиращи действия: 18 задвижващи механизма за завъртане са подменени с устройства с номинален въртящ момент 6000 N·m. Останалите 2382 тракера са запазили задвижващите механизми с 3500 N·m (които са се задържали при вятър от 45 m/s - 18-те повреди са възникнали на наветрения ръб на панела, където ускорението на вятъра е довело до локално по-високи сили). Поука: задържащият въртящ момент на червячната предавка на задвижващия механизъм за завъртане на слънчевия тракер трябва да бъде специфициран за екстремно ветрово събитие, а не за средния проектен вятър - и тракерите в крайните редове в големи панели са изпитали от 15 до 30 процента по-високи ветрови натоварвания от вътрешните редове поради канализиране на вятъра.
Три случая на спецификация на задвижващото устройство с червячна предавка за соларен тракер
Случай 1 — Корейска соларна електроцентрала: 2400 едноосни тракера, зона на тайфуна, 25-годишен живот
Корейска слънчева електроцентрала с мощност 50 MW е разработила червячни задвижвания за 2400 едноосни тракера. Площ на панела на тракер: 60 м² (24 модула × 2,5 м²). Дължина на тръбата за регулиране на въртящия момент: 12 метра. Проектна скорост на вятъра: 45 м/с (коригирана след тайфуна Хиннамнор). Изискван въртящ момент за самозаключващо се задържане: 6000 N·m (крайни редове), 4500 N·m (вътрешни редове). Изходна скорост на тракера: 0,5 об/мин. Червячно задвижване: еднократно, модул 3, междуосово разстояние 80 мм, интегриран въртящ се лагер (Ø300 мм), предавателно число 62:1. Двигател: 24 V DC, 100 W. Материал: поцинкован червяк, колело от фосфорен бронз. Уплътнение: FKM двойна устна с UV-устойчив еластомер, IP66. Грес: синтетична полиурея (запечатана за цял живот — без повторно смазване след 25 години). Корпус: горещо поцинкован чугун. Цена на задвижване на въртящия момент: 280 щатски долара (версия с ръбови редове и 6000 N·m), 195 щатски долара (версия с вътрешен въртящ момент 4500 N·m). Обща цена на задвижването на въртящия момент за 2400 тракера: приблизително 520 000 щатски долара. Годишен добив на енергия от проследяване спрямо фиксиран наклон: приблизително 14 милиона kWh × 0,08 щатски долара = 1 120 000 щатски долара годишно — инвестицията в задвижването на въртящия момент се възстановява за по-малко от 6 месеца.
Случай 2 — Японски двуосен тракер за покрив: 10 м², монтиран на сграда, естетичен
Японска компания за соларни системи, интегрирани в сгради, определи червячни задвижвания за завъртане за двуосен тракер на покрива (4 модула, 10 м²). Две задвижвания за завъртане на тракер: едно за азимут (хоризонтално въртене) и едно за елевация (наклон). Инсталацията на покрива изискваше компактни размери (задвижването за завъртане не трябва да се простира извън отпечатъка на тракера), нисък шум (жилищна сграда — под 45 dB(A) по време на проследяване) и естетичен корпус (прахово боядисан в съответствие с цвета на рамката на тракера). Проектна скорост на вятъра: 35 м/с. Задържащ въртящ момент на ос: 800 N·m. Червячно задвижване за завъртане: едноходово, модул 2, междуосово разстояние 50 мм, интегриран лагер Ø150 мм, съотношение 50:1. Двигател: 12 V DC, 30 W. Материал: поцинкован червяк, POM колело (намаляване на шума — POM при 38 dB(A) спрямо бронз при 48 dB(A) по време на проследяване). Грес: синтетична полиурея, запечатана за цял живот. Корпус: прахово боядисан алуминий (намаляване на теглото за структурно натоварване на покрива). Цена на задвижване за навиване: 85 USD. Две на тракер: 170 USD. Разгледайте червячна предавка за завъртане на задвижването опции за едноосни и двуосни приложения на соларни тракери.
Случай 3 — Виетнамска плаваща слънчева система: едноосна, потопяема IP68, устойчива на корозия
Виетнамски разработчик на плаващи соларни системи е определил червячни задвижващи механизми за 800 едноосни тракера на повърхността на резервоар. Плаващата инсталация е добавена към предизвикателства, липсващи при наземно монтираните тракери: периодично потапяне по време на вълни и силен дъжд (изискван IP68), корозия от сладководни води от постоянно излагане на влага и замърсяване с водорасли на външната част на корпуса. Площ на панела на тракер: 40 м² (16 модула). Проектен вятър: 30 м/с (вътрешен резервоар — по-ниско от крайбрежния). Задържащ въртящ момент: 2800 N·m. Червячно задвижващо устройство: едноходово, модул 2,5, междуосово разстояние 63 мм, интегриран лагер Ø200 мм, съотношение 55:1. Материал: червяк от неръждаема стомана 304 (постоянно излагане на вода), колело от фосфорен бронз. Уплътнение: двойно механично уплътнение IP68 с камера за грес под налягане. Корпус: епоксидно покрит морски чугун с противообрастваща боя. Цена на задвижващо устройство: 340 щатски долара (спецификацията IP68 и неръждаема стомана добавя 60 процента спрямо еквивалентната наземно монтирана версия от 195 щатски долара). Общо за 800 тракера: 272 000 щатски долара. Спецификацията за плаващи устройства показва, че същата архитектура на червячно задвижване се прилага и за инсталации на водна повърхност — основните функции за самозаключване и проследяване са идентични, като защитата от околната среда е подобрена, за да съответства на излагането на потапяне.
Често задавани въпроси
В: Може ли червячното зъбно колело на соларния тракер наистина да издържи 25 години без повторно смазване?
Със синтетична полиурея грес, запечатана в правилно проектиран корпус, да — общият брой работни часове на двигателя за 25 години е само 3000, което е по-малко от една година работа за типична индустриална скоростна кутия. Животът на греста при този лек режим на работа и умерена температура (на външната среда) надвишава 25 години. Ограничаващият живота фактор не е разграждането на греста, а целостта на уплътнението — ако уплътнението се повреди и навлезе вода, греста емулгира и започва корозия. FKM уплътненията с UV-устойчива формула запазват целостта си в продължение на 15 до 20 години при излагане на открито. На 15-та година, визуална проверка на уплътнението и опционално доливане на грес през гресьорка е разумна гаранция — добавяйки 15 минути труд на тракер.
В: Как да изчисля въртящия момент на вятъра на моя тракер за оразмеряване на задвижването на въртящия се механизъм?
T_wind при задвижването на червячната предавка = F_wind × L_arm. F_wind = 0.5 × ρ × v² × Cd × A_eff. За прибран (плосък) тракер: ρ = 1.225 kg/m³, Cd = 0.1 до 0.2 (плоска плоча под ъгъл, близък до нулев), A_eff = площ на панела × cos (ъгъл на прибиране). L_arm = разстояние от оста на въртене до центъра на налягането (обикновено от 0.5 до 2 метра за едноосни тракери, в зависимост от симетрията на разположението на панела). Приложете коефициент на безопасност от 1.5 съгласно ASCE 7 или Еврокод 1. За тракери с крайни редове, умножете по 1.2 до 1.3 за канализиране на вятъра. Критичният случай обикновено е прибраното положение по време на силен вятър, а не положението за проследяване по време на нормална работа (тракерите се прибират преди да настъпи силен вятър).
В: Защо някои соларни тракери използват линейни задвижващи механизми вместо задвижващи механизми за навиване?
Линейните задвижващи механизми (електрически цилиндри) се използват при по-малки тракери (под 30 м² площ на панела), където въртящият момент на вятъра е в рамките на капацитета на тягата на линейния задвижващ механизъм. Линейните задвижващи механизми са по-прости от червячните задвижващи механизми и по-евтини за малки панели, но не могат да се мащабират до големи тракери, тъй като необходимата сила на тягата нараства с площта на панела, докато диаметърът на цилиндъра на линейния задвижващ механизъм и дължината на хода стават непрактични над приблизително 3000 N·m въртящ момент. Задвижващите механизми за задържане се мащабират ефективно до 20 000+ N·m въртящ момент — те доминират на пазара на тракери за комунални цели (от 40 до 100+ м² на тракер). Двете технологии съществуват едновременно: линейни задвижващи механизми за жилищни и малки търговски обекти, задвижващи механизми за завъртане за комунални цели.
В: Какво се случва, ако самозаключването се повреди по време на ветровито събитие?
Панелният масив се завърта неконтролирано от прибрано положение, увеличавайки ефективната площ на вятъра от почти нула (плоска) до пълната площ на панела (перпендикулярна на вятъра). Това драстично увеличава силата на вятъра - от 7000 N в прибрано положение до перпендикулярните 70 000 N - създавайки структурно претоварване, което може да огъне торсионната тръба, да разкъса скобите на панела или да изкорени основата на тракера. Самозаключващата се повреда по време на вятърно събитие е сценарий на структурна повреда, а не само проблем с поддръжката. Проектирайте самозаключващия се задържащ въртящ момент на червячната предавка с коефициент на безопасност от 1,5 до 2,0 над изчисления екстремен въртящ момент на вятъра. Тествайте самозаключващия се при 150 процента от номиналния задържащ въртящ момент по време на фабричното приемане - тестът трябва да показва нулево въртене след 1 час статично натоварване.
В: Каква е типичната цена на соларен тракер за задвижване на ват слънчева мощност?
За едноосни тракери за комунални услуги: задвижването на въртящия се механизъм струва от 195 до 350 щатски долара на тракер, а всеки тракер поддържа от 15 до 30 kW слънчева мощност. Това се равнява на приблизително 0,007 до 0,023 щатски долара на ват инсталирана слънчева мощност — приблизително 1 до 3 процента от общата цена на системата за тракер и от 0,3 до 0,8 процента от общата цена на слънчевата централа. Задвижването на въртящия се механизъм е един от компонентите с най-ниска цена на ват, но е един от компонентите с най-големи последици, ако се повреди (повреди на задвижването на въртящия се механизъм изключват целия тракер от мрежата, губейки от 15 до 30 kW производство, докато не бъде поправен).
Червячните задвижвания на слънчевите тракери работят в режим на работа, различен от всяко друго приложение в тази серия - изключително леко механично износване (3000 моточаса за 25 години), комбинирано с изключително взискателна издръжливост на околната среда (216 000 часа статично излагане на открито с непрекъснато задържане на ветрово натоварване). Моделът на работа от сутрин до вечер съпоставя този уникален цикъл с параметрите на спецификацията, които са от значение: самоблокиращ се задържащ въртящ момент при ветрови събития (доминиращата проектна сила), живот на уплътненията и греста за 25 години без поддръжка на открито (доминиращият фактор, ограничаващ живота) и устойчивост на UV лъчи и корозия за многодесетгодишна експлоатация. Червячното задвижване на слънчевите тракери се е превърнало в стандарт за комунални соларни тракери, защото никоя друга технология за задвижване не осигурява самоблокираща се устойчивост на вятър, ултрабавна способност за проследяване и 25-годишна издръжливост на открито в един интегриран модул на цената, която изисква слънчевата икономика.
За производителите на соларни тракери и разработчиците на соларни паркове, нашият инженерен екип изчислява въртящия момент на вятъра от конфигурацията на вашия панел и данните за вятъра на обекта. Стандартен каталог комплекти червячни зъбни колела с подвижно задвижване покриват едноосни и двуосни приложения от Ø150 до Ø400 мм диаметър на лагера с въртящ момент от 800 до 8000 N·m. Изпратете Спецификация на устройството за соларен тракер с площ на панела, проектна скорост на вятъра, тип тракер (едноосен/двуосен) и климатична зона на обекта.
Специфициране на задвижващи механизми за насочване на слънчеви тракери?
Изпратете площ на панела, проектна скорост на вятъра, тип тракер, климат на обекта и количество. Ще изчислим въртящия момент на вятъра, ще препоръчаме клас на задържащ въртящ момент и ще предоставим 25-годишна проверка за експлоатационния живот на вашата инсталация.
Редактор: Cxm
