Korea Ever-Power · Руководство по применению инженерных решений
Червячная передача и червячное колесо для приводов поворотного механизма солнечных трекеров
Солнечная электростанция с 5000 трекерами отслеживает положение солнца с востока на запад каждый день в течение 25 лет — примерно 9000 циклов от рассвета до заката на каждый трекер. Каждый трекер содержит 60 квадратных метров солнечных панелей, которые действуют как парус на ветру, создавая тяговые нагрузки от 2000 до 8000 Н в зависимости от скорости ветра. Червячная передача внутри поворотного привода — единственный компонент между панелью и ветром; она должна удерживать положение при порыве ветра 40 м/с, плавно перемещаться со скоростью 15 градусов в час и выдерживать 25 лет воздействия ультрафиолетового излучения, дождя и перепадов температуры на открытом воздухе без капитального ремонта.
В приводах поворота солнечных трекеров используются червячные передачи, поскольку самоблокировка удерживает угол наклона панели под воздействием ветровых нагрузок без постоянного питания двигателя, низкая скорость слежения (15 градусов в час для одноосевого режима) соответствует высокому передаточному отношению и низкой скорости вращения червячной передачи, а интегрированная конструкция привода поворота (червячная передача, подшипник и корпус в одном герметичном блоке) обеспечивает компактный модуль, устанавливаемый на месте. Модель работы от рассвета до заката сопоставляет суточный цикл слежения с годовым временем работы (от 3000 до 5000 часов), 25-летним сроком службы (от 75 000 до 125 000 часов) и графиком технического обслуживания, который требуется для такого экстремального срока службы. Ветровая нагрузка является основной расчетной силой — панель площадью 60 м² при скорости ветра 40 м/с создает тягу приблизительно в 12 000 Н, что приводит к крутящему моменту от 2400 до 6000 Н·м на приводе поворота в зависимости от плеча момента. Пара червячных передач должна удерживать эту нагрузку в статическом положении за счет самоблокировки, пока двигатель выключен — а это 90 процентов времени (трекер медленно перемещается, а затем удерживает положение, пока панели вырабатывают электроэнергию).
Почему в солнечных трекерах используются червячные редукторы для управления поворотом?
Система слежения за солнцем вращает массив панелей, следуя за движением солнца по небу, что увеличивает выработку энергии на 25–40 процентов по сравнению с установкой с фиксированным наклоном. Одноосевые системы слежения вращаются с востока на запад вокруг горизонтальной оси север-юг. Двухосевые системы слежения добавляют ось наклона для сезонной регулировки высоты. Оба типа требуют червячной передачи, которая вращается очень медленно (солнце поворачивает на 15 градусов в час), жестко удерживает положение против ветра (панель представляет собой большой парус) и служит на открытом воздухе 25 лет с минимальным техническим обслуживанием.
Червячный редукторный привод — интегрированный блок, содержащий пару червячных передач, поворотный подшипник и герметичный корпус, — стал стандартом для солнечных трекеров, поскольку он обеспечивает выполнение всех трех требований в одном устанавливаемом модуле.
Самоблокирующийся механизм удерживает панель в заданном положении под порывами ветра без питания двигателя. Червячный редуктор выключен в 85-95% случаев — механизм регулировки положения корректирует положение каждые 5-15 минут с небольшими шагами, а затем фиксирует его. Во время сильного ветра механизм может сложить панель горизонтально, и самоблокирующийся механизм удерживает её в этом положении в течение нескольких часов или дней.
Солнце движется со скоростью 15 градусов в час. Червячная передача с передаточным отношением 60:1 и небольшой двигатель постоянного тока со скоростью 30 об/мин обеспечивают выходную скорость 0,5 об/мин — 3 градуса в минуту по оси слежения. Контроллер подает импульсы на червячный двигатель в течение нескольких секунд каждые 10–15 минут для отслеживания положения солнца. Общее время работы двигателя в сутки: от 15 до 45 минут.
На солнечные панели предоставляется 25-летняя гарантия. Механизм слежения должен соответствовать этому сроку службы — не требует планового ремонта, замены колес и повторной смазки во многих случаях. Это требует использования смазки, сохраняющей свои свойства на протяжении всего срока службы, уплотнений, устойчивых к ультрафиолетовому излучению, и корпусов с защитой от коррозии, выдерживающих более 9000 дневных/ночных температурных циклов.
Модель с режимом работы от рассвета до заката — ежедневный цикл отслеживания, рассчитанный на 25-летний срок службы.
Червячная передача солнечного трекера имеет уникальный режим работы: очень малые нагрузки во время слежения (только крутящий момент двигателя, без внешней нагрузки), очень большие статические нагрузки во время ветровых явлений (полная тяга ветра, двигатель выключен) и высокопредсказуемый суточный цикл, повторяющийся 365 дней в году в течение 25 лет. Модель «от рассвета до заката» количественно описывает этот цикл.
Модель позволяет сделать важный вывод: двигатель червячной передачи работает всего 120 часов в год (утренний возврат + вечернее укладывание + периодические импульсы слежения), но функция самоблокировки активна 8640 часов в год (полные 24 часа за вычетом коротких периодов работы двигателя). За 25 лет общее время работы двигателя червячной передачи составляет всего 3000 часов — это ничтожно мало для механического износа. Но общее время статического удержания (самоблокировка под ветровой нагрузкой) составляет приблизительно 216 000 часов. Проблема проектирования заключается не в механическом износе от движения, а в статической коррозии, деградации уплотнений и сроке службы смазки в течение 25 лет непрерывной эксплуатации на открытом воздухе с минимальным вращением для перераспределения смазки.
Ветровая нагрузка — панель как парус, а пара червячных передач как якорь.
Массив солнечных панелей аэродинамически похож на плоскую пластину — форму, которая обеспечивает самый высокий коэффициент аэродинамического сопротивления (Cd от 1,1 до 1,3 для плоской пластины, перпендикулярной ветру) среди всех конструкций. Сила тяги ветра на одноосевой трекер площадью 60 м² при расчетной скорости ветра 40 м/с составляет F = 0,5 × 1,225 × 40² × 1,2 × 60 = приблизительно 70 560 Н (в наихудшем случае перпендикулярной ориентации). На практике трекер складывается в плоское положение (уменьшая эффективную площадь на 80–90 процентов) до начала сильного ветра, снижая фактическую силу примерно до 7000–14000 Н в сложенном положении.
Крутящий момент в поворотном приводе зависит от плеча момента между центром давления ветровой силы и осью вращения трекера. Для одноосевого трекера с 12-метровой торсионной трубой плечо момента составляет приблизительно от 1 до 3 метров (эксцентриситет между центром силы и осью), создавая ветровой крутящий момент от 7000 до 42000 Н·м в сложенном состоянии. Пара червячных передач должна статически противостоять этому крутящему моменту за счет самоблокировки, а удерживающая способность самоблокировки должна превышать максимальный расчетный ветровой крутящий момент с коэффициентом запаса прочности от 1,5 до 2,0 в соответствии с нормами проектирования конструкций (ASCE 7, Еврокод 1).
Корейская компания, занимающаяся разработкой солнечных электростанций, установила 2400 одноосевых трекеров на фотоэлектрической станции мощностью 50 МВт. Каждый трекер использовал червячный редуктор с крутящим моментом 3500 Н·м. На третий год после начала работ тайфун Хиннамнор (сентябрь 2022 г.) принес на площадку устойчивые ветры со скоростью 45 м/с. Все трекеры были сложены в горизонтальное положение до прихода тайфуна. После тайфуна осмотр показал, что у 18 трекеров массив панелей был повернут на 15-25 градусов относительно сложенного положения — самоблокировка соскользнула под воздействием экстремального ветрового момента. Расследование показало, что расчетный ветровой момент при скорости 45 м/с на сложенных панелях составил 4200 Н·м, что на 20 процентов превышает номинальный крутящий момент 3500 Н·м. В первоначальной спецификации использовалась расчетная скорость ветра 35 м/с (50-летний период повторяемости для данного объекта), но фактический тайфун превысил это значение на 29 процентов. Конструктивных повреждений не произошло (панели наклонились, но не отсоединились), но 18 трекеров потребовали ручного перемещения и выравнивания. Корректирующие действия: 18 приводов поворота были заменены на устройства с номинальным крутящим моментом 6000 Н·м. Оставшиеся 2382 трекера сохранили приводы с крутящим моментом 3500 Н·м (которые выдержали ветер скоростью 45 м/с — 18 отказов произошли на наветренной кромке массива, где ускорение ветра создавало локально более высокие нагрузки). Вывод: крутящий момент червячного привода поворота солнечного трекера должен быть рассчитан на экстремальный ветр, а не на средний расчетный ветер — и трекеры на краю ряда в больших массивах испытывают на 15–30 процентов более высокие ветровые нагрузки, чем трекеры во внутренних рядах, из-за эффекта ветрового канала.
Технические характеристики трех корпусов для червячных передач слежения за солнцем
Пример 1 — Солнечная электростанция корейской энергетической компании: 2400 одноосевых трекеров, зона действия тайфунов, срок службы 25 лет.
Для корейской солнечной электростанции мощностью 50 МВт были выбраны червячные редукторные приводы для 2400 одноосевых трекеров. Площадь панели на один трекер: 60 м² (24 модуля × 2,5 м²). Длина торсионной трубы: 12 метров. Расчетная скорость ветра: 45 м/с (скорректированная после тайфуна Хиннамнор). Требуемый момент самоблокировки: 6000 Н·м (краевые ряды), 4500 Н·м (внутренние ряды). Скорость вращения трекера: 0,5 об/мин. Червячный редукторный привод: однозаходный, модуль 3, межосевое расстояние 80 мм, встроенный поворотный подшипник (Ø300 мм), передаточное отношение 62:1. Двигатель: 24 В постоянного тока, 100 Вт. Материал: оцинкованный червяк, колесо из фосфорной бронзы. Уплотнение: двухкромочное из FKM с УФ-стойким эластомером, степень защиты IP66. Смазка: синтетическая полимочевина (герметичная на весь срок службы — повторная смазка не требуется в течение 25 лет). Корпус: чугун, оцинкованный методом горячего цинкования. Стоимость одного поворотного привода: 280 долларов США (версия с краевым рядом 6000 Н·м), 195 долларов США (версия с внутренним 4500 Н·м). Общая стоимость поворотных приводов для 2400 трекеров: приблизительно 520 000 долларов США. Ежегодная экономия энергии за счет слежения по сравнению с фиксированным наклоном: приблизительно 14 миллионов кВт·ч × 0,08 доллара США = 1 120 000 долларов США в год — инвестиции в поворотные приводы окупаются менее чем за 6 месяцев.
Вариант 2 — Японский двухосевой трекер для установки на крыше: 10 м², установлен на здании, эстетичный дизайн.
Японская компания, специализирующаяся на интегрированных в здания солнечных электростанциях, выбрала червячные редукторы для поворотного механизма двухкоординатного трекера на крыше (4 модуля, 10 м²). На каждый трекер приходится два поворотных механизма: один для азимута (горизонтального вращения) и один для угла наклона. Для установки на крыше требовались компактные размеры (поворотный механизм не должен выходить за пределы площади крепления трекера), низкий уровень шума (жилое здание — ниже 45 дБ(А) во время слежения) и эстетичный корпус (порошковое покрытие в цвет рамы трекера). Расчетная скорость ветра: 35 м/с. Крутящий момент на ось: 800 Н·м. Червячный редуктор: однозаходный, модуль 2, межосевое расстояние 50 мм, встроенный подшипник Ø150 мм, передаточное отношение 50:1. Двигатель: 12 В постоянного тока, 30 Вт. Материал: оцинкованный червяк, колесо из полиоксиметилена (снижение уровня шума — полиоксиметилен 38 дБ(А) против бронзы 48 дБ(А) во время слежения). Смазка: синтетическая полимочевина, герметичная на весь срок службы. Корпус: алюминий с порошковым покрытием (снижение веса для несущей нагрузки на крыше). Стоимость одного привода поворота: 85 долларов США. Два привода на один трекер: 170 долларов США. Просмотреть червячная передача поворотного механизма Варианты для одноосевых и двухосевых систем слежения за солнцем.
Пример 3 — Вьетнамская плавучая солнечная электростанция: одноосная, водонепроницаемая (IP68), коррозионностойкая.
Вьетнамский разработчик плавучих солнечных электростанций выбрал червячные редукторные приводы для 800 одноосевых трекеров на поверхности водохранилища. Плавучая установка создала дополнительные сложности, отсутствующие при использовании наземных трекеров: периодическое погружение под воду во время воздействия волн и сильных дождей (требуется степень защиты IP68), коррозия в пресной воде из-за постоянного воздействия влажности и обрастание корпуса водорослями. Площадь панели на один трекер: 40 м² (16 модулей). Расчетная скорость ветра: 30 м/с (внутреннее водохранилище — ниже, чем на побережье). Удерживающий момент: 2800 Н·м. Червячный редукторный привод: однозаходный, модуль 2,5, межосевое расстояние 63 мм, встроенный подшипник Ø200 мм, передаточное отношение 55:1. Материал: червяк из нержавеющей стали 304 (постоянное воздействие воды), колесо из фосфористой бронзы. Уплотнение: двойное механическое уплотнение IP68 с камерой смазки под давлением. Корпус: чугун морского класса с эпоксидным покрытием и противообрастающей краской. Стоимость одного поворотного привода: 340 долларов США (спецификация IP68 и нержавеющая сталь на 60 процентов выше, чем у аналогичной наземной версии за 195 долларов США). Итого за 800 трекеров: 272 000 долларов США. Плавучая спецификация демонстрирует, что та же архитектура поворотного привода с червячной передачей применима и к установкам на поверхности воды — основные функции самоблокировки и слежения идентичны, а защита от воздействия окружающей среды улучшена в соответствии с условиями погружения.
Часто задаваемые вопросы
В: Может ли червячный редукторный привод солнечной системы слежения действительно прослужить 25 лет без повторной смазки?
При использовании синтетической полимочевинной смазки, герметично запечатанной в правильно спроектированном корпусе, да — общее время работы двигателя за 25 лет составляет всего 3000 часов, что меньше одного года эксплуатации для типичного промышленного редуктора. Срок службы смазки при такой легкой нагрузке и умеренной температуре (наружная температура) превышает 25 лет. Фактором, ограничивающим срок службы, является не деградация смазки, а целостность уплотнения — если уплотнение выходит из строя и попадает вода, смазка эмульгируется, и начинается коррозия. Уплотнения из FKM с УФ-стойким составом сохраняют целостность в течение 15–20 лет при воздействии окружающей среды. На 15-м году эксплуатации целесообразно проводить визуальный осмотр уплотнения и, при необходимости, доливать смазку через смазочный штуцер — это добавит 15 минут работы на каждый редуктор.
В: Как рассчитать момент силы ветра, воздействующий на мой трекер, для определения необходимой мощности привода поворота?
T_wind на червячном редукторе поворотного привода = F_wind × L_arm. F_wind = 0,5 × ρ × v² × Cd × A_eff. Для сложенного (плоского) трекера: ρ = 1,225 кг/м³, Cd = 0,1–0,2 (плоская пластина под углом, близким к нулю), A_eff = площадь панели × cos(угол складывания). L_arm = расстояние от оси вращения до центра давления (обычно от 0,5 до 2 метров для одноосевых трекеров в зависимости от симметрии расположения панелей). Примените коэффициент безопасности 1,5 в соответствии с ASCE 7 или Еврокодом 1. Для трекеров с краевым рядом умножьте на 1,2–1,3 для учета влияния ветра. Критический случай обычно представляет собой сложенное положение при сильном ветре, а не положение трекера во время нормальной работы (трекеры складываются до начала сильного ветра).
В: Почему в некоторых системах слежения за солнцем используются линейные актуаторы вместо поворотных приводов?
Линейные актуаторы (электрические цилиндры) используются на небольших трекерах (площадь панели менее 30 м²), где крутящий момент ветра находится в пределах допустимой тяги линейного актуатора. Линейные актуаторы проще, чем червячные редукторы, и дешевле для небольших панелей, но не могут масштабироваться для больших трекеров, поскольку требуемая тяга возрастает с площадью панели, а диаметр цилиндра и длина хода линейного актуатора становятся непрактичными при крутящем моменте выше примерно 3000 Н·м. Поворотные приводы эффективно масштабируются до удерживающего крутящего момента более 20 000 Н·м — они доминируют на рынке трекеров промышленного масштаба (от 40 до 100+ м² на трекер). Две технологии сосуществуют: линейные актуаторы для жилых и небольших коммерческих объектов, поворотные приводы для промышленного масштаба.
В: Что произойдет, если система самоблокировки выйдет из строя во время сильного ветра?
Панельная конструкция неконтролируемо вращается из сложенного положения, увеличивая эффективную площадь воздействия ветра от почти нулевой (плоская) до всей площади панели (перпендикулярно ветру). Это резко увеличивает силу ветра — от 7000 Н в сложенном положении до 70000 Н в перпендикулярном положении — создавая структурную перегрузку, которая может деформировать торсионную трубу, разорвать зажимы панелей или вырвать фундамент трекера. Самоблокировка при сильном ветре — это сценарий структурного отказа, а не просто проблема технического обслуживания. Рассчитывайте момент самоблокировки червячной передачи с коэффициентом запаса прочности от 1,5 до 2,0 выше расчетного экстремального момента воздействия ветра. Испытайте самоблокировку при 150 процентах от номинального момента удержания во время заводской приемки — испытание должно показать нулевое вращение после 1 часа статической нагрузки.
В: Какова типичная стоимость привода поворотного механизма для солнечной системы слежения в расчете на ватт солнечной энергии?
Для крупномасштабных одноосевых трекеров: привод поворота стоит от 195 до 350 долларов США за один трекер, и каждый трекер обеспечивает выработку солнечной энергии мощностью от 15 до 30 кВт. Это составляет примерно от 0,007 до 0,023 долларов США за ватт установленной солнечной мощности — примерно от 1 до 3 процентов от общей стоимости системы трекеров и от 0,3 до 0,8 процента от общей стоимости солнечной электростанции. Привод поворота является одним из самых недорогих компонентов в пересчете на ватт, но одним из наиболее опасных компонентов в случае отказа (выход из строя привода поворота полностью выводит из строя трекер, теряя от 15 до 30 кВт выработки до ремонта).
Червячные редукторные приводы для солнечных трекеров работают в уникальном режиме, не имеющем аналогов в этой серии: чрезвычайно малый механический износ (3000 часов работы двигателя за 25 лет) в сочетании с крайне высокой устойчивостью к воздействию окружающей среды (216 000 часов статического воздействия на открытом воздухе с непрерывным удержанием ветровой нагрузки). Модель работы от рассвета до заката сопоставляет этот уникальный цикл с важными параметрами спецификации: самоблокирующийся удерживающий момент при ветровых воздействиях (основная расчетная сила), срок службы уплотнений и смазки для 25-летней эксплуатации без технического обслуживания на открытом воздухе (основной фактор, ограничивающий срок службы), а также устойчивость к ультрафиолетовому излучению и коррозии для многолетней службы. Червячный редукторный привод стал стандартом для солнечных трекеров промышленного масштаба, поскольку ни одна другая технология привода не обеспечивает самоблокирующейся ветроустойчивости, возможности сверхмедленного слежения и 25-летней устойчивости к воздействию окружающей среды в одном интегрированном модуле по цене, необходимой для экономики солнечной энергетики.
Для производителей солнечных трекеров и разработчиков солнечных электростанций наш инженерный отдел рассчитывает ветровой момент на основе конфигурации ваших панелей и данных о ветре на площадке. Стандартный каталог червячные редукторы для поворотных приводов Подходит для одноосевых и двухосевых применений с подшипниками диаметром от Ø150 до Ø400 мм и удерживающим моментом от 800 до 8000 Н·м. Отправьте заявку. Технические характеристики привода слежения за солнцем с учетом площади панели, расчетной скорости ветра, типа слежения (одноосевой/двухосевой) и климатической зоны участка.
Выбираете ли вы приводы управления для солнечных трекеров?
Укажите площадь панелей, расчетную скорость ветра, тип трекера, климатические условия на объекте и количество панелей. Мы рассчитаем ветровой момент, порекомендуем класс удерживающего момента и предоставим подтверждение 25-летнего срока службы вашей установки.
Запросить техническое задание на привод для солнечных батарей →
Редактор: Cxm
