Возобновляемая энергетика Великобритании · Технологии высокоточных приводов · Разработка систем слежения за солнцем
Реечные механизмы для систем слежения за солнечными батареями:
Высокоточные приводные решения способствуют развитию возобновляемой энергетики в Великобритании.
Как технология реечного механизма определяет производительность, срок службы и эксплуатационные расходы трекеров на крупных и коммерческих солнечных электростанциях Великобритании — взгляд, основанный на восемнадцати годах прикладной инженерной работы в этой области.
Стремление Великобритании к нулевым выбросам углерода привело к необычайному росту мощностей наземных солнечных фотоэлектрических установок. На полях в Линкольншире, Оксфордшире, Норфолке, Сомерсете и Шотландской границе теперь установлены одноосевые и двухосевые солнечные трекеры, которые наклоняют и вращают фотоэлектрические панели, следуя за солнечной дугой от рассвета до заката, — извлекая значительно больше киловатт-часов из каждого модуля, чем это может обеспечить установка с фиксированным наклоном. Внутри каждого из этих трекеров механический приводной компонент незаметно преобразует вращение двигателя в точное угловое смещение, которое удерживает панели перпендикулярно поступающему солнечному излучению. Этот компонент — зубчатая рейка. Для инженеров по закупкам, разработчиков проектов и производителей трекеров, работающих на рынке Великобритании, понимание инженерных деталей зубчатых реек — это не просто теоретическое упражнение. Трекер, работающий по двадцатипятилетнему контракту на разницу, должен поддерживать свою приводную систему в рабочем состоянии, обеспечивать точность и низкие затраты на техническое обслуживание в течение примерно девяти тысяч рабочих циклов. Решения, принятые на этапе закупки, касающиеся технических характеристик — размера модуля, марки материала, обработки поверхности, допуска по шагу зерен — определяют, будет ли объект соответствовать целевому показателю выработки энергии на двадцать второй год так же надежно, как и в первый год.
Зубчатые рейки работают по принципу реечной передачи. Моторизованная шестерня зацепляется с зубьями рейки, и по мере вращения шестерни она приводит в движение рейку — и прикрепленное к ней торсионное кольцо или поворотное кольцо — в контролируемом угловом диапазоне. Простота этого механизма и является его преимуществом: нет гидравлических уплотнений, которые могут выйти из строя зимой в Линкольншире, нет резиновых ремней, которые изнашиваются под воздействием ультрафиолета, нет муфт скольжения, подверженных ползучести. Нагрузка передается непосредственно через контакт зубьев шестерни, и при правильном выборе материала и упрочнении поверхности эта контактная поверхность может прослужить дольше, чем остальная часть конструкции гусеничного колеса.
Принцип работы реечной передачи, используемые материалы и геометрия зубьев в приводах солнечных трекеров.
В одноосевом трекере — преобладающей конфигурации в энергетических проектах Великобритании — горизонтальная торсионная труба охватывает весь ряд солнечных панелей, часто покрывая от пятидесяти до ста метров. Сегменты зубчатой рейки, каждый из которых обычно имеет длину от одной тысячи до трех тысяч миллиметров, привинчиваются или привариваются к трубе или специальной приводной направляющей и соединяются встык, чтобы покрыть весь ряд. Бесщеточный двигатель постоянного тока или серводвигатель приводит в движение косозубую или прямозубую шестерню, которая зацепляется с рейкой, преобразуя вращение вала в управляемый поворот с востока на запад, отслеживающий солнечную дугу. Инженерная элегантность этой конструкции заключается в ее прямолинейности: отсутствуют промежуточные этапы, проскальзывание ремня, падение гидравлического давления. Точность позиционирования почти полностью зависит от геометрии зацепления зубчатых колес, и если точность шага и люфт находятся в пределах заданных параметров, система управления получает четкую и стабильную обратную связь от своего энкодера без необходимости постоянного поиска корректировок.
Выбор материалов для наружных солнечных электростанций в основном сосредоточен на среднеуглеродистых и легированных сталях. Сталь C45 — эквивалент EN8 в историческом британском обозначении — хорошо подходит для условий с низкими нагрузками, расположенных на суше, с коррозионной активностью категории C3. Для более высоких нагрузок и более агрессивных условий эксплуатации сталь 42CrMo4 (BS EN 10083-3) обеспечивает превосходную усталостную прочность и хорошо поддается индукционной закалке, доводя твердость по боковой поверхности зубьев до 56–62 HRC, сохраняя при этом прочность и ударопрочность корпуса стойки. Для прибрежных установок, классифицированных по коррозионной активности категории C4 или C5-M согласно BS EN ISO 12944, — включая объекты вблизи побережья Северного моря в Восточной Англии, устья реки Хамбер или берегов Ирландского моря в Уэльсе и Ланкашире, — нержавеющая сталь марок 304 и 316 предлагает наиболее долговечное решение, исключающее многолетние затраты на техническое обслуживание, связанные с повторным покрытием оцинкованной поверхности.
Профиль зубьев повсеместно имеет эвольвентную форму. Двадцатиградусный угол зацепления является стандартным для современных зубчатых передач солнечных трекеров, обеспечивая хороший баланс прочности зубьев, коэффициента контакта и чувствительности к малым ошибкам межосевого расстояния при сборке на месте. Размеры модулей варьируются от M3 для компактных трекеров, интегрированных в здания или используемых в исследованиях, до M10 или M12 для крупных наземных массивов с двухсторонними панелями высокой мощности. Двухосевые трекеры — используемые в демонстрационных проектах концентрированной солнечной энергии и высокоточных исследовательских установках PVT — добавляют вторую степень угловой свободы и обычно используют сегменты зубчатой передачи дугообразной или круглой формы в приводе по углу места, где требования к допуску по шагу еще более жесткие, поскольку ошибки наведения по двум осям суммируются в фокальной плоскости или на входе инвертора.
Технические характеристики
| Параметр | Спецификация | Стандарт / Примечания |
|---|---|---|
| Модуль (презентация) | М3 – М12 | ISO 54 / DIN 867 |
| Угол давления | 14,5° / 20° (стандартный) | Для солнечных приводов предпочтительна температура 20°. |
| Точность подачи | ±0,02 мм на 300 мм | DIN 6892, класс 5–7 |
| Варианты материалов | C45 · 42CrMo4 · SS304 · SS316 | BS EN 10083-3 / BS EN 10088 |
| Обработка поверхности | Горячее цинкование · Покрытие EN · Твердое хромирование | BS EN ISO 1461 — C3 до C5-M |
| твердость боковой поверхности зуба | 56–62 HRC (индукционная закалка) | Увеличенный срок службы при циклической эксплуатации. |
| Рабочая температура | от -30 °C до +80 °C | Охватывает весь климатический диапазон Великобритании. |
| Номинальная осевая нагрузка | До 80 кН на сегмент | Расчетная грузоподъемность при ветро- и снеговой нагрузке |
| Длина сегмента | 500 мм – 3000 мм | Возможна индивидуальная длина. |
Почему эти зубчатые рейки превосходят аналогичные устройства в условиях слежения за солнцем?
⚙
Закаленные индукционным методом боковые поверхности зубьев
Селективная индукционная закалка повышает твердость боковых поверхностей зубьев до 56–62 HRC, сохраняя при этом прочное и пластичное ядро. В Великобритании солнечный трекер совершает примерно 365 полных циклов движения с востока на запад в год. За двадцатипятилетний период CfD, представляющий собой более девяти тысяч циклов контакта на одних и тех же боковых поверхностях зубьев, — такое количество повторений выявляет любые недостатки твердости поверхности в виде прогрессирующего углового смещения, измеримой потери энергии и, в конечном итоге, незапланированной замены привода.
🌡
Коррозионная стойкость для условий Великобритании
В Соединенном Королевстве коррозионная активность солнечных электростанций варьируется от C2 до C5-M. Солнечные парки во внутренних районах Мидлендса могут попадать в категорию C3; объекты вблизи побережья Восточной Англии, устья реки Хамбер или берега Ирландского моря достигают категорий C4 или C5-M. Горячее цинкование по стандарту BS EN ISO 1461 обеспечивает минимальный слой цинка толщиной 85 микрон, что позволяет без проблем справляться с коррозионной активностью категории C3. Для прибрежных площадок с коррозионной активностью категории C5-M зубчатые рейки из нержавеющей стали марки 316 полностью исключают необходимость повторного нанесения покрытия — компромисс, который обычно делает нержавеющую сталь более выгодной при сроке окупаемости более десяти лет.
📈
Точность шага спирали по стандарту DIN
Реечные зубчатые передачи, изготовленные по стандарту DIN 6892 Grade 5 или Grade 7, с суммарной погрешностью шага ±0,02 мм на каждые 300 мм, обеспечивают стабильность положения, от которой зависят современные алгоритмы управления трекерами. Трекер, смещенный на полградуса от оси в полдень в ясный июньский день в Великобритании, теряет измеримую долю своей номинальной мощности. Умножьте это на полный ряд и весь парк, и финансовые последствия низкой точности шага станут очевидны в квартальном отчете об энергопотреблении.
🔧
Минимальные требования к эксплуатации и техническому обслуживанию.
Солнечные электростанции открытого типа в Великобритании обычно работают с небольшим количеством бригад по техническому обслуживанию на месте. Простая геометрия реечного привода означает, что ежегодное нанесение соответствующей смазки для открытых зубчатых передач — и визуальная проверка целостности соединений — является основным этапом планового технического обслуживания. Защитные кожухи, заполненные смазкой, еще больше увеличивают интервалы смазки. Модульная конструкция сегментов позволяет заменить изношенный или поврежденный участок без демонтажа всей зубчатой рейки, что ограничивает как стоимость деталей, так и время простоя.
🌍
Допустимая ветровая и снеговая нагрузка
В соответствии с требованиями британского градостроительства, конструкции трекеров обычно должны соответствовать требованиям стандарта BS EN 1991-1-4 (Еврокод 1) по ветровой нагрузке. Во время сильных ветров системы управления трекерами перемещают массив в горизонтальное положение, максимизирующее ветровую нагрузку на привод. Секции зубчатой рейки, рассчитанные на осевую нагрузку 80 кН, обеспечивают необходимый запас прочности для ветровых нагрузок в сложенном состоянии на самых ветреных участках северной Англии и Шотландии, где базовые скорости ветра согласно британскому национальному приложению могут превышать 30 м/с.
🚀
Соединение сегментов непрерывным шагом
Сегменты должны соединяться встык по всей длине ряда зубчатых колес — потенциально на протяжении ста метров, с двадцатью-сорока секциями зубчатой рейки. Обработанные на станке соединительные элементы с штифтами обеспечивают непрерывность шага зубьев на каждом стыке. Это деталь, которую иногда упускают из виду менее качественные поставщики, что приводит к накоплению ошибки шага в каждом стыке, которую должен компенсировать контроллер двигателя, вызывая ненужные циклы износа в алгоритме коррекции с обратной связью системы управления.
Сценарии применения в солнечном секторе Великобритании
☀ Наземная установка промышленного масштаба
Крупные солнечные электростанции в Линкольншире, Оксфордшире и Кенте используют одноосевые зубчатые реечные приводы на трекерах с торсионными трубами, охватывающих от шестидесяти до ста метров. Каждый ряд может состоять из двадцати-сорока сегментов реечной системы, а суммарная непрерывность шага между этими соединенными сегментами определяет эффективное угловое разрешение, которое система может поддерживать в любой точке ряда — деталь, которая отличает хорошо спроектированную установку от той, которая не выполняет свои гарантийные обязательства по выработке энергии.
🌿 Агровольтаические системы
Растущий агровольтаический сектор — сочетание производства продуктов питания и выработки солнечной энергии на одном земельном участке — набирает обороты в Йоркшире, Восточном Мидлендсе и на юго-западе Англии. Для надземных систем слежения, под которыми пасется скот или выращиваются сельскохозяйственные культуры, необходимы варианты зубчатых реек из нержавеющей стали, поскольку перенос удобрений и аммиак от скота могут создавать локально коррозионную среду, которая ускоряет разрушение оцинкованных поверхностей на уровне земли гораздо быстрее, чем это следует из макроскопической категории коррозионной активности.
🔭 Отслеживание CSP и исследований
В исследовательских центрах университетов и демонстрационных проектах по концентрированной солнечной тепловой энергии, включая испытательные стенды параболических желобчатых коллекторов на нескольких инженерных факультетах Великобритании, используются двухкоординатные зубчатые передачи, где точность позиционирования менее 0,1 градуса является обязательным требованием. В таких установках обычно используются зубчатые рейки класса 5 с притертыми боковыми поверхностями зубьев и подобранной парой шестерен, точность которых проверяется производителем с помощью отчета координатно-измерительной машины перед отправкой.
🏠 Встроенные в здания трекеры
На крышах коммерческих зданий и фасадах, обращенных на юг, наблюдается раннее внедрение компактных систем слежения PVT. В этих областях применения используются зубчатые рейки меньшего размера — обычно от M3 до M5 — в защищенных корпусах, где компактные габариты зубчатой передачи превосходят линейные приводы как по повторяемости положения, так и по размерам корпуса. Нагрузочные циклы меньше, но условия эксплуатации более ограничены, что делает точность размеров на уровне зубьев еще более важной для плавной и бесшумной работы.
Успех клиента: модернизация солнечной электростанции мощностью 50 МВт, Линкольншир, Англия.
Клиент
Ведущий независимый производитель электроэнергии Великобритании, эксплуатирующий наземную солнечную электростанцию мощностью 50 МВт в рамках пятнадцатилетнего контракта на разницу цен, расположенную в Линкольнширских холмах.
Испытание
Первоначальная спецификация системы слежения предусматривала использование гидравлических линейных приводов для каждого ряда. После двух сезонов эксплуатации группа по эксплуатации и техническому обслуживанию зафиксировала значительные отказы уплотнений приводов, вызванные циклами замерзания-оттаивания, характерными для высокогорных районов Линкольншира в период с ноября по март. Ежегодные затраты на техническое обслуживание приводной системы превышали на сорок процентов финансовые показатели проекта, а доступность системы слежения упала до 93,11 TP5T.
Решение
В ходе планового технического обслуживания инженерная группа выбрала зубчатые рейки из модуля M8, закаленные индукционным методом из стали 42CrMo4 с горячим цинкованием в соответствии со стандартом BS EN ISO 1461, в паре с бесщеточными серводвигателями постоянного тока и косозубыми шестернями. Система зубчатых реек позволила исключить все гидравлические уплотнения и сократить количество подверженных воздействию погодных условий движущихся поверхностей в трансмиссии более чем на семьдесят процентов. Инженерная группа Ever Power оказала поддержку в процессе выбора комплектующих, начиная с расчета усилий на рейках и заканчивая проектированием соединений и подбором смазочных материалов.
Результат
Доступность трекеров увеличилась с 93,11 ТБ5Т до 98,61 ТБ5Т за три сезона после модернизации. Ежегодные затраты на техническое обслуживание приводной системы снизились на пятьдесят восемь процентов. Отчет о выработке энергии на объекте показал увеличение годовой выработки на 4,71 ТБ5Т, что обусловлено повышением доступности трекеров и уменьшением угловой погрешности — что эквивалентно примерно 280 000 фунтов стерлингов в год дополнительного дохода от CfD для объекта мощностью 50 МВт, при этом полная окупаемость капитальных затрат на модернизацию составит двадцать два месяца.
Что говорят британские инженеры и разработчики солнечных электростанций?
“
Прежде чем выбрать компанию Ever Power для нашего проекта мощностью 35 МВт в Норфолке, мы сравнили предложения трех поставщиков зубчатых реек. Предоставленные ими данные о точности шага лопастей, независимо подтвержденные нашей метрологической командой, оказались неизменно точнее, чем у двух альтернативных вариантов. За три сезона мы не зафиксировали ни одной неисправности приводной системы, связанной с компонентами зубчатой рейки. Такая стабильность значительно превосходит незначительно более низкую цену за единицу продукции.
Джеймс Хартли, ведущий инженер-механик.
Компания Renewables Development Ltd — Норфолк, Англия
“
Наш агровольтаический проект в Северном Йоркшире предполагает содержание скота под панелями, поэтому риск воздействия аммиака на компоненты привода на уровне земли представлял собой серьезную инженерную проблему. Мы выбрали зубчатые рейки из нержавеющей стали 316 от компании Ever Power, и за две полные зимы поверхности зубьев не показали никакой деградации. Техническая поддержка на этапе проектирования — особенно в отношении совместимости смазочных материалов с сельскохозяйственными условиями — превзошла все наши ожидания от поставщика зубчатых реек.
Доктор Сара Кимберли, директор инженерного отдела.
AgriSolar Technologies — Северный Йоркшир, Англия
“
Как производитель солнечных трекеров, поставляющий продукцию на рынок Великобритании и Европы, мы нуждаемся в производителях стоек, которые обеспечивают жесткую точность изготовления и документально подтверждают соответствие применимым стандартам BS EN. Компания Ever Power является нашим поставщиком стоек уже четыре года. Их способность производить стойки нестандартной длины с обработанными концевыми соединениями и предоставлять отчеты о проверке каждой партии обеспечивает нам необходимую цепочку документации как для нашей собственной системы качества, так и для наших клиентов.
Маркус О'Брайен, директор по закупкам
SolarDrive Systems Ltd — Бристоль, Англия
Изготовление зубчатых реек на заказ для солнечных электростанций в Великобритании.
Нет двух одинаковых конструкций солнечных трекеров. Диаметры торсионных труб, интерфейсы крепления, категории коррозионной стойкости к воздействию окружающей среды и технические характеристики системы управления различаются в каждом проекте, и стандартный каталог редко точно соответствует требованиям хорошо спроектированного привода трекера. Производственное предприятие Ever Power использует линии зубофрезерования с ЧПУ, оборудование для фрезерования на зубчатых передачах, станции индукционной закалки поверхностей и специализированный контрольно-измерительный цех с координатно-измерительными машинами — совокупность процессов, необходимых для производства зубчатые рейки От M3 до M12, длиной сегментов от 500 мм до 3000 мм, с индивидуальным профилем поперечного сечения, расположением монтажных отверстий, прецизионно обработанными концевыми соединениями и любым сочетанием обработки поверхности, требуемым в зависимости от классификации коррозионной активности объекта.
Для британских разработчиков и производителей систем слежения, работающих в рамках документации BS EN, каждая партия сопровождается сертификатами на материалы, отчетами о проверке размеров, протоколами проверки обработки поверхности и — при необходимости — документацией о проверке сторонними экспертами. Наша инженерная команда анализирует схемы привода систем слежения и выполняет расчеты усилий на стойке, подтверждение выбора модулей, консультации по проектированию соединений и оценку совместимости смазочных материалов в рамках стандартной услуги по составлению коммерческого предложения. Такая глубина консультаций выходит далеко за рамки поставки компонентов и отражает специфику применения, которая действительно необходима инженерам, занимающимся системами слежения за солнцем, при принятии решений по капитальным компонентам для объектов с длительным сроком службы.
Стандартные модульные конфигурации со стандартной обработкой поверхности обычно имеют срок поставки от четырех до шести недель со склада производителя. Индивидуальные конфигурации — нестандартные углы зацепления, специальные марки сплавов, сложная обработка торцов или сегменты дугообразной формы для двухкоординатных поворотных приводов — рассчитываются индивидуально для каждого проекта. Образцы размеров для проверки перед началом производства предоставляются по запросу бесплатно для соответствующих проектов.
Часто задаваемые вопросы
Ever Power — производитель прецизионных зубчатых реек | Индивидуальные решения для проектов солнечных трекеров в Великобритании | Англия · Шотландия · Уэльс
отредактировано gzl
