Кореја Евер-Пауер · Водич за инжењеринг апликација
Пуж и пужни точак за погоне за окретање соларног праћења
Соларна фарма са 5.000 трагача прати сунце од истока ка западу сваког дана током 25 година — отприлике 9.000 циклуса од свитања до сумрака по трагачу. Сваки трагач држи 60 квадратних метара соларних панела који делују као једро на ветру, генеришући потисне силе од 2.000 до 8.000 N у зависности од брзине ветра. Пар пужних зупчаника унутар погона за обртање је једина компонента између панела и ветра — мора да држи положај при удару ветра од 40 м/с, да се глатко креће при 15 степени на сат и да преживи 25 година излагања УВ зрачењу, киши и цикличним променама температуре на отвореном без већег ремонта.
Соларни трагачи користе парове пужних зупчаника јер самоблокирање држи угао панела од оптерећења ветром без континуираног напајања мотора, мала брзина праћења (15 степени на сат за једну осовину) одговара високом преносном односу и малој брзини излаза пара пужних зупчаника, а интегрисани формат погона за обртање (пар пужних зупчаника плус лежај плус кућиште у једној заптивној јединици) пружа компактан модул који се може инсталирати на терену. Модел рада од зоре до сумрака мапира дневни циклус праћења на годишње радне сате (3.000 до 5.000), животни век од 25 година (75.000 до 125.000 радних сати) и распоред одржавања који овај екстремни век трајања захтева. Оптерећење ветром је доминантна пројектована сила — панел од 60 м² при ветру од 40 м/с генерише приближно 12.000 N потиска, производећи 2.400 до 6.000 N·m обртног момента на погону за обртање, у зависности од крака момента. Пужни зупчаник мора статички држати ово оптерећење путем самоблокирања док је мотор искључен — што је 90 процената времена (трагач се помера споро, а затим држи положај док панели генеришу енергију).
Зашто соларни трагачи користе пужне зупчанике за закретање
Соларни трагач ротира низ панела како би пратио сунце по небу, повећавајући прикупљање енергије за 25 до 40 процената у поређењу са инсталацијом са фиксним нагибом. Једноосни трагачи ротирају од истока ка западу око хоризонталне осе север-југ. Двоосни трагачи додају осу нагиба за сезонско подешавање висине. Оба типа захтевају пужни погон који се креће веома споро (сунце се окреће 15 степени на сат), чврсто држи положај против ветра (панел је велико једро) и опстаје 25 година на отвореном уз минимално одржавање.
Пужни зупчаник за окретање - интегрисана јединица која садржи пар пужних зупчаника, окретни лежај и заптивено кућиште - постао је стандард за соларне пратиоце јер испуњава сва три захтева у једном модулу са вијцима.
Самозакључавање држи панел под углом праћења у односу на ударе ветра без напајања мотора. Пужни мотор је искључен 85 до 95 процената времена — пужни трагач подешава положај сваких 5 до 15 минута у малим корацима, а затим држи. Током олује са ветром, трагач се може спустити у равно (хоризонтално) стање, а самозакључавање га држи тамо сатима или данима.
Сунце се креће брзином од 15 степени на сат. Пужни зупчаник са односом 60:1 и малим једносмерним мотором са 30 обртаја у минути производи излаз од 0,5 обртаја у минути — 3 степена у минути на оси праћења. Контролер импулсира пужни зупчаник неколико секунди сваких 10 до 15 минута како би пратио сунце. Укупно дневно време рада мотора: 15 до 45 минута.
Соларни панели имају 25-годишњу гаранцију на перформансе. Механизам за праћење мора да испуњава овај век трајања — без планираног ремонта, без замене точкова, без поновног подмазивања у многим инсталацијама. Ово захтева маст запечаћену за цео живот, заптивке отпорне на УВ зрачење и кућишта заштићена од корозије која могу да издрже преко 9.000 термичких циклуса дан/ноћ.
Модел рада од зоре до сумрака — дневни циклус праћења до спецификације животног века од 25 година
Пар пужних зупчаника соларног праћења има јединствени профил рада: веома мала оптерећења током праћења (само обртни момент мотора, без спољашњег оптерећења), веома велика статичка оптерећења током ветровитих догађаја (пуни потисак ветра, мотор искључен) и веома предвидљив дневни циклус који се понавља 365 дана годишње током 25 година. Модел од зоре до сумрака квантификује овај циклус.
Модел открива кључни увид: мотор пужног зупчаника ради само 120 сати годишње (јутарњи повратак + вечерње заустављање + повремени импулси праћења) — али је функција самоблокирања активна 8.640 сати годишње (пун 24-часовни дан минус кратки периоди рада мотора). Током 25 година, укупан број сати рада пужног зупчаника је само 3.000 — тривијално мало за механичко хабање. Али укупан број сати статичког задржавања (самоблокирање под оптерећењем ветра) је приближно 216.000 сати. Изазов у дизајну није механичко хабање од кретања — то је статичка корозија, деградација заптивача и век трајања масти током 25 година континуираног излагања спољашњем свету уз минималну ротацију ради прерасподеле мазива.
Оптерећење ветром — панел као једро и пар пужних зупчаника као сидро
Низ соларних панела је аеродинамички сличан равној плочи — облику који производи највећи коефицијент отпора (Cd 1,1 до 1,3 за равну плочу управно на ветар) од било које структуре. Сила потиска ветра на једноосном трагачу површине 60 м² при пројектованој брзини ветра од 40 м/с је F = 0,5 × 1,225 × 40² × 1,2 × 60 = приближно 70.560 N (у најгорем случају управне оријентације). У пракси, трагач се склапа равно (смањујући ефективну површину за 80 до 90 процената) пре него што стигне екстремни ветар, смањујући стварну силу на приближно 7.000 до 14.000 N у склопљеном положају.
Обртни момент на погону за окретање зависи од крака момента између центра силе ветра и осе ротације трагача. За једноосни трагач са цевчицом обртног момента од 12 метара: крак момента је приближно 1 до 3 метра (ексцентричност између центра силе и осе), производећи 7.000 до 42.000 N·m обртног момента ветра у склопљеном стању. Пар пужних зупчаника мора статички да се одупре овом обртном моменту путем самоблокирања — а капацитет самоблокирања мора да пређе максимални пројектовани обртни момент ветра са фактором сигурности од 1,5 до 2,0 према прописима за структурно пројектовање (ASCE 7, Eurocode 1).
Корејски инвеститор соларних фарми инсталирао је 2.400 једноосних трагача преко фотонапонске електране од 50 MW. Сваки трагач је користио пужни зупчаник са обртним моментом од 3.500 N·m. У трећој години, тајфун Хинамнор (септембар 2022) донео је континуиране ветрове од 45 m/s на локацију. Сви трагачи су били склопљени равно пре доласка тајфуна. Инспекцијом након тајфуна утврђено је да је 18 трагача са низом панела ротираним 15 до 25 степени од положаја складиштења — самоблокирајући систем је исклизнуо под екстремним обртним моментом ветра. Истрага: израчунати обртни момент ветра при 45 m/s на склопљеним панелима био је 4.200 N·m — што је премашило номинални обртни момент од 3.500 N·m за 20 процената. Оригинална спецификација је користила пројектовани ветар од 35 m/s (период повратка од 50 година за локацију), али је стварни тајфун премашио ово за 29 процената. Није дошло до структурних оштећења (панели су се нагнули, али се нису одвојили), али је 18 трагача захтевало ручно премештање и поновно поравнање. Корективне мере: 18 погона за обртање замењено је јединицама номиналне снаге 6.000 N·m. Преосталих 2.382 трагача задржало је погоне од 3.500 N·m (који су се држали при ветру од 45 m/s — 18 кварова се догодило на ивици низа окренутој ка ветру где је убрзање ветра произвело локално веће силе). Поука: обртни момент пужног зупчаника погона за обртање соларног трагача мора бити специфициран за екстремни ветровити догађај, а не за просечан пројектовани ветар — а трагачи у ивичним редовима у великим низовима доживљавају 15 до 30 процената већа оптерећења ветра него унутрашњи редови због каналисања ветра.
Три случаја спецификације погонског погона са пужним зупчаником за соларни трагач
Случај 1 — Корејска соларна фарма: 2.400 једноосних трагача, зона тајфуна, век трајања 25 година
Корејска соларна фарма од 50 MW је специјализовала пужне погоне за обртање 2.400 једноосних трагача. Површина панела по трагачу: 60 м² (24 модула × 2,5 м²). Дужина обртне цеви: 12 метара. Пројектована брзина ветра: 45 м/с (кориговано након тајфуна Хинамнор). Захтев за обртни момент самоблокирања: 6.000 N·m (ивични редови), 4.500 N·m (унутрашњи редови). Брзина обртања праћења: 0,5 о/мин. Пужни погон за обртање: једноходни, модул 3, међуосно растојање 80 мм, интегрисани окретни лежај (Ø300 мм), однос 62:1. Мотор: 24 V DC, 100 W. Материјал: поцинковани пуж, точак од фосфорне бронзе. Заптивање: FKM двострука усна са УВ отпорним еластомером, IP66. Маст: синтетичка полиуреа (запечаћена доживотно — није потребно подмазивање 25 година). Кућиште: топло поцинковано ливено гвожђе. Цена по погону за заокретање: 280 УСД (верзија са ивичним редом од 6.000 N·m), 195 УСД (верзија са унутрашњим обртним моментом од 4.500 N·m). Укупни трошкови погона за заокретање за 2.400 пратилаца: приближно 520.000 УСД. Годишњи добитак енергије од праћења у односу на фиксни нагиб: приближно 14 милиона kWh × 0,08 УСД = 1.120.000 УСД годишње — инвестиција у погон за заокретање се повраћа за мање од 6 месеци.
Случај 2 — Јапански кровни двоосни праћење: 10 м², монтиран на зграду, естетски
Јапанска компанија за соларне системе, која се бави интеграцијом у зграде, одредила је пужне погоне за обртање за двоосни кровни праћење (4 модула, 10 м²). Два погона за обртање по праћењу: један за азимут (хоризонтална ротација) и један за елевацију (нагиб). Инсталација на крову захтевала је компактне димензије (погон за обртање не сме да се протеже ван трагача), ниску буку (стамбена зграда — испод 45 dB(A) током праћења) и естетско кућиште (прашкасто обојено да одговара боји оквира праћења). Пројектована брзина ветра: 35 м/с. Обртни момент по оси: 800 N·m. Пужни погон за обртање: једноходни, модул 2, међуосно растојање 50 мм, интегрисани лежај Ø150 мм, однос 50:1. Мотор: 12 V DC, 30 W. Материјал: поцинковани пуж, POM точак (смањење буке — POM на 38 dB(A) у односу на бронзани на 48 dB(A) током праћења). Маст: синтетичка полиуреа, запечаћена за цео живот. Кућиште: алуминијум са прашкастим премазом (смањење тежине за структурно оптерећење крова). Цена по погону за закретање: 85 УСД. Два по трагачу: 170 УСД. Прегледај пужни зупчаник опције за једноосне и двоосне примене соларног праћења.
Случај 3 — Вијетнамски плутајући соларни панел: једноосни, потопни, IP68, отпоран на корозију
Вијетнамски произвођач плутајућих соларних система специфицирао је пужне погоне за обртање за 800 једноосних трагача на површини резервоара. Плутајућа инсталација је додала изазове који нису присутни код трагача монтираних на земљи: повремено потапање током дејства таласа и јаких киша (потребан је IP68), корозија слатке воде услед сталног излагања влази и зарастање алгама на спољашњости кућишта. Површина панела по трагачу: 40 м² (16 модула). Пројектована брзина ветра: 30 м/с (унутрашњи резервоар — ниже од приобалног). Обртни момент: 2.800 N·m. Пужни погон за обртање: једноходни, модул 2,5, међуосно растојање 63 мм, интегрисани лежај Ø200 мм, однос 55:1. Материјал: пуж од нерђајућег челика 304 (стално излагање води), точак од фосфорне бронзе. Заптивање: двоструко механичко заптивање IP68 са комором за маст под притиском. Кућиште: ливено гвожђе са епоксидним премазом, морског квалитета, са антиобрастајућом бојом. Цена по погону за обртање: 340 УСД (спецификација IP68 и нерђајући челик додала је 60 процената у односу на еквивалентну верзију монтирану на земљи од 195 УСД). Укупно за 800 трагача: 272.000 америчких долара. Плутајућа спецификација показује да се иста архитектура погона са пужним зупчаником примењује и на инсталације на површини воде — основне функције самоблокирања и праћења су идентичне, са заштитом животне средине надограђеном како би се ускладила са изложеношћу потапању.
Често постављана питања
П: Да ли пужни зупчаник соларног праћења заиста може трајати 25 година без поновног подмазивања?
Са синтетичком полиуреа машћу запечаћеном унутар правилно дизајнираног кућишта, да — укупан број радних сати мотора током 25 година је само 3.000, што је мање од једне године рада за типичан индустријски мењач. Век трајања масти при овом лаком оптерећењу и умереној температури (спољна околина) прелази 25 година. Фактор који ограничава век трајања није деградација масти, већ интегритет заптивача — ако заптивач откаже и вода уђе, маст се емулгира и почиње корозија. FKM заптивачи са УВ отпорном формулацијом одржавају интегритет 15 до 20 година при излагању на отвореном. Након 15 година, визуелни преглед заптивача и опционо допуњавање масти кроз мазаљку су разумно осигурање — додајући 15 минута рада по трагачу.
П: Како да израчунам обртни момент ветра на мом трагачу за димензионисање погона за заокретање?
T_ветр на погону за окретање пужног зупчаника = F_ветр × L_арм. F_ветр = 0,5 × ρ × v² × Cd × A_еф. За склопљени (равни) трагач: ρ = 1,225 кг/м³, Cd = 0,1 до 0,2 (равна плоча под углом близу нуле), A_еф = површина панела × cos(угао склапања). L_арм = растојање од осе ротације до центра притиска (типично 0,5 до 2 метра за једноосне трагаче, у зависности од симетрије распореда панела). Примените фактор сигурности од 1,5 према ASCE 7 или Еврокоду 1. За трагаче са ивичним редовима, помножите са 1,2 до 1,3 за каналисање ветра. Критични случај је обично склопљени положај током екстремног ветра — не положај праћења током нормалног рада (трагачи се склапају пре него што дође екстремни ветар).
П: Зашто неки соларни трагачи користе линеарне актуаторе уместо погона за заокретање?
Линеарни актуатори (електрични цилиндри) се користе на мањим трагачима (испод површине панела од 30 м²) где је обртни момент ветра унутар потисног капацитета линеарног актуатора. Линеарни актуатори су једноставнији од пужних погона за обртање и јефтинији за мале панеле, али се не могу скалирати на велике трагаче јер потребна сила потиска расте са површином панела, док пречник цилиндра линеарног актуатора и дужина хода постају непрактични изнад приближно 3.000 N·m обртног момента. Погони за обртање се ефикасно скалирају до обртног момента задржавања од преко 20.000 N·m — они доминирају на тржишту трагача комуналних размера (40 до преко 100 м² по трагачу). Две технологије коегзистирају: линеарни актуатори за стамбене и мале комерцијалне објекте, погони за обртање за комуналне услуге.
П: Шта се дешава ако самоблокирање откаже током ветра?
Низ панела се неконтролисано ротира из склопљеног положаја, повећавајући ефективну површину ветра од скоро нуле (равно) до целе површине панела (нормално на ветар). Ово драматично повећава силу ветра — од 7.000 N у склопљеном положају до 70.000 N — стварајући структурно преоптерећење које може савити торзиону цев, поцепати стезаљке панела или ишчупати темељ праћења. Квар самоблокирања током ветра је сценарио структурног квара, а не само проблем одржавања. Пројектовати самоблокирајући обртни момент пужног зупчаника са фактором сигурности од 1,5 до 2,0 изнад израчунатог екстремног обртног момента ветра. Тестирати самоблокирање на 150 процената номиналног обртног момента током фабричког пријема — тест мора показати нулту ротацију након 1 сата статичког оптерећења.
П: Колика је типична цена погонског уређаја за праћење соларне енергије по вату соларног капацитета?
За једноосне трагаче комуналних размера: погон за окретање кошта од 195 до 350 америчких долара по трагачу, а сваки трагач подржава 15 до 30 kW соларног капацитета. То се претвара у приближно 0,007 до 0,023 америчких долара по вату инсталираног соларног капацитета — отприлике 1 до 3 процента укупних трошкова система за праћење и 0,3 до 0,8 процената укупних трошкова соларне електране. Погон за окретање је једна од најјефтинијих компоненти по вату — али једна од компоненти са највећим последицама ако откаже (неисправан погон за окретање искључује цео трагач, губећи 15 до 30 kW производње док се не поправи).
Пужни зупчаници погонског механизма за обртање соларног праћења раде у режиму рада за разлику од било које друге примене у овој серији — изузетно мало механичко хабање (3.000 моторних сати током 25 година) у комбинацији са изузетно захтевном издржљивошћу у условима околине (216.000 сати статичког излагања на отвореном са континуираним држањем оптерећења ветром). Модел рада од зоре до сумрака мапира овај јединствени циклус на параметре спецификације који су важни: самоблокирајући обртни момент за ветровите догађаје (доминантна пројектована сила), век трајања заптивача и масти за 25 година без одржавања на отвореном (доминантни фактор који ограничава век трајања) и отпорност на УВ зрачење и корозију за вишедеценијски рад. Пужни зупчаник погонског механизма за обртање постао је стандард за соларне праћење комуналних размера јер ниједна друга технологија погона не пружа самоблокирајућу отпорност на ветар, могућност ултраспорог праћења и 25-годишњу издржљивост на отвореном у једном интегрисаном модулу по цени коју соларна економија захтева.
За произвођаче соларних праћења и програмере соларних фарми, наш инжењерски одељење израчунава обртни момент ветра на основу конфигурације вашег панела и података о ветру на локацији. Стандардни каталог пужни зупчаници са закретним погоном покривају једноосне и двоосне примене од пречника лежаја од Ø150 до Ø400 мм са обртним моментом држања од 800 до 8.000 N·m. Пошаљите Спецификација погона за соларни трагач са површином панела, пројектованом брзином ветра, типом праћења (једноосни/двоосни) и климатском зоном локације.
Одређивање погона за нагиб за соларне пратиоце?
Пошаљите површину панела, пројектовану брзину ветра, тип трагача, климатске услове локације и количину. Израчунаћемо обртни момент ветра, препоручити класу обртног момента и обезбедити верификацију радног века од 25 година за вашу инсталацију.
Уредник: Cxm
