В условиях стремительно меняющейся ситуации в сфере возобновляемой энергетики, системы слежения за солнцем стали незаменимыми для обеспечения максимальной эффективности фотоэлектрических (PV) и концентрированных солнечных электростанций (CSP). В отличие от стационарных установок, а солнечный трекер динамически регулирует ориентацию солнечные панели следовать за траекторией движения Солнца, что позволяет увеличить выход энергии на 20%–40% в зависимости от географического положения и архитектуры системы слежения. Механическим «сердцем» каждой система слежения за солнцем В их основе лежит тщательно подобранный силовой агрегат — как правило, электрические линейные приводы для регулировки наклона и поворотные приводы (ротационные приводы) для поворота по азимуту. В данной статье рассматривается, как эти различные технологии привода служат «двигателем» одноосевых, двухосевых и концентрированных солнечных тепловых трекеров, а их интеграция иллюстрируется конкретными примерами продукции.

Одноосевой солнечные трекеры представляют собой доминирующую архитектуру в крупных промышленных установках благодаря оптимальному соотношению выработки энергии и затрат. В таких системах панели поворачиваются по одной степени свободы — как правило, по оси «север-юг» — для следования за движением Солнца с востока на запад (азимутальное слежение). В качестве силовой установки для горизонтальных одноосевых следящих систем обычно используется привод поворота, герметичный узел редуктора, в котором червячный редуктор, поворотный подшипник и электродвигатель объединены в единый прочный узел.

Приводы поворота отлично подходят для одноосевых систем, поскольку они одновременно выдерживают осевые и радиальные нагрузки, а также моменты наклона, обеспечивая при этом точный вращающий момент. Например, Вертикальный поворотный привод VH7 Произведенный компанией Hostboks, он разработан специально для горизонтальных одноосных массивов из 60–80 панелей, обеспечивая выходной крутящий момент 6,3 кН·м при удерживающем крутящем моменте 45 кН·м и степень защиты IP65, что гарантирует 25-летний срок службы в полевых условиях. Его червячная передача в форме «песочных часов» обеспечивает многозубчатый контакт, гарантируя высокую жёсткость и самоблокирующийся механизм, что исключает необходимость в дополнительных тормозных механизмах при сильном ветре. Аналогичным образом, Привод поворота SC9 Система «from Coresun Drive» оптимизирована для конфигураций из 12–16 панелей, имеет передаточное число 61:1 и совместима с двигателями на 24 В постоянного тока, 220 В переменного тока или 380 В переменного тока, что позволяет адаптировать её к проектам различного масштаба и различным электротехническим стандартам.

В наклонных одноосных следящих устройствах — которые предпочтительны для широт выше 40 градусов, где сезонные углы возвышения значительно меняются — приводы поворота устанавливаются в точках опоры торсионной трубки. Привод поворота SE9 Пример такого применения представляет компания XZWD, предлагающая герметичные корпуса с двухгубными уплотнениями вращающегося вала, способные выдерживать воздействие пыли, влаги и экстремальных температур в диапазоне от -30 °C до +70 °C. Эти приводы поворачивают весь ряд панелей в диапазоне от ±45° до ±60° с точностью менее 0,1°, обеспечивая поддержание оптимального угла падения солнечных лучей на панели в течение всего дня.

Для объектов, где решающее значение имеет максимальная плотность энергии — например, в высокоширотных регионах, в системах концентрированной фотоэлектрической энергии (CPV) или на солнечных тепловых электростанциях —двухосные солнечные следящие устройства отслеживать как азимут (горизонтальное вращение), так и угловое возвышение (вертикальный наклон). Такой подход с полным слежением позволяет увеличить выработку электроэнергии более чем на 35% по сравнению с фиксированными креплениями, однако требует применения более сложной схемы привода, сочетающей в себе как приводы поворота, так и линейные приводы.

В преобладающей двухосной конструкции используется привод поворота для поворота по азимуту у основания главной мачты, в то время как электрический линейный привод обеспечивает регулировку угла наклона. Привод поворота выдерживает весь вес массива и противостоит опрокидывающим моментам, вызванным ветром, в то время как линейный привод обеспечивает точное линейное движение типа «толкай-тяни», необходимое для наклона рамы панели. Согласно инженерным исследованиям Норвежского университета науки и технологий, такая гибридная конфигурация позволяет оси азимута поворачиваться примерно на 280–310°, а оси угла наклона — перемещаться в диапазоне 0–60°, полностью следуя суточному и сезонному ходу Солнца.

Ярким примером из коммерческой сферы является Двухосный солнечный трекер BOFU Mini, предназначенная для использования в жилых домах или в небольших сельскохозяйственных хозяйствах с 2–6 солнечными панелями. В этой системе используется привод поворотного подшипника для поворота по горизонтали (±90°) и линейный привод с усилием 2000 Н для управления углом наклона (0–60°). Контроллер в режиме реального времени рассчитывает положение Солнца с помощью астрономических алгоритмов и данных GPS, подавая команды обоим приводам для синхронизации ориентации панелей. Ночью линейный привод возвращает панели в плоское положение хранения, что снижает воздействие ветра и накопление грязи. Вес всей конструкции составляет всего 90 кг, а степень защиты IP56 достигается за счет размещения поворотного двигателя внутри нижней колонны — такая конструкция демонстрирует, как компактные гибридные приводы могут сделать двухосное слежение доступным для распределенной генерации.

Для более крупных коммерческих и промышленных двухосных систем Двухосный поворотный привод SVH3 Привод от компании Coresun объединяет механизмы управления азимутом и углом наклона в едином узле. Этот 3-дюймовый прецизионный привод обеспечивает выходной крутящий момент 716 Н·м с точностью ≤0,2°, используя запатентованную технологию червячного механизма в форме «песочных часов» для самоблокировки и устранения люфта. Такие интегрированные приводы особенно ценны для применения в системах CPV и солнечных параболических концентраторах, где точность слежения в пределах долей градуса является обязательным условием для поддержания выравнивания фокуса.

Помимо традиционных фотоэлектрических систем, системы слежения за солнцем играют ключевую роль в станциях концентрированной солнечной тепловой энергии (CSP) и системах концентрированной фотоэлектрической энергии (CPV). Эти технологии требуют исключительной точности слежения — зачастую в пределах ±0,1° — поскольку концентратор должен точно фокусировать солнечный свет на приемнике или многопереходной ячейке. В таких случаях незаменимыми становятся поворотные приводы с высоким передаточным числом и конструкцией с нулевым люфтом.

Сайт Вертикальный поворотный мотор-редуктор VH9 Обеспечивает передаточное число 61:1 с выходным крутящим моментом 6 405 Н·м и удерживающим крутящим моментом 56 кН·м, что делает его пригодным для использования в крупных параболических желобах и солнечных параболических антеннах весом в несколько тонн. Конструкция из легированной стали 42CrMo и двухслойное эпоксидное порошковое покрытие с высоким содержанием цинка обеспечивают коррозионную стойкость класса C3–C5 для пустынных и прибрежных условий, где обычно размещаются станции CSP. Для полей гелиостатов на станциях CSP с центральной башней используются массивы более компактных поворотных приводов, таких как SE7 — привод поворота в закрытом корпусе—обеспечить индивидуальное управление зеркалами, что позволит каждому гелиостату самостоятельно отслеживать положение Солнца и перенаправлять поток излучения на центральный приемник с точностью до миллирадиана.

Независимо от типа привода, современные солнечные трекеры используют интеллектуальные системы управления для координации движения. В контроллерах, как правило, применяются 32-разрядные микроконтроллеры, на которых работают астрономические алгоритмы, рассчитывающие положение Солнца на основе GPS-координат, даты и времени. Эти команды с открытым контуром управления часто дополняются обратной связью с замкнутым контуром от датчиков освещенности или вращательных энкодеров, встроенных в приводы поворота и линейные приводы.

Инфраструктура связи также претерпела изменения. Одноосевая система слежения SAST Система от Kseng Energy поддерживает протокол RS485 Modbus для передачи команд приводам, а также опциональные возможности подключения по Bluetooth, Wi-Fi или 4G для удаленного мониторинга. Датчики ветра запускают протоколы автоматической уборки: поворотные приводы возвращают массивы в нейтральное положение, а линейные приводы складывают двухосные панели, защищая механические компоненты от ветров со скоростью более 37 м/с. Режимы ночного возврата обеспечивают ориентацию панелей на восток до рассвета, что исключает утренние потери энергии во время переориентации трекера.

Эволюция системы слежения за солнцем неразрывно связано с достижениями в области технологий приводов. Приводы поворота занимают лидирующие позиции в одноосевых и азимутальных системах благодаря высокому крутящему моменту, грузоподъемности и долговечности без необходимости технического обслуживания в герметичных корпусах. Линейные приводы обеспечивают точное и энергоэффективное линейное перемещение, необходимое для управления высотой в двухосных и малогабаритных следящих устройствах. В совокупности эти силовые агрегаты позволяют солнечные трекеры превратить пассивные массивы панелей в динамические устройства для улавливания энергии, доведя эффективность фотоэлектрических (PV) и концентрированных солнечных тепловых (CSP) систем до их теоретических пределов. По мере ускорения роста мирового спроса на чистую энергию синергия между надежными механическими приводами и интеллектуальным управлением будет и впредь определять следующее поколение трекер для солнечных панелей технология.