CN106949106A - 一种塔式太阳能热发电定日镜方位角转动静压支撑系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种塔式太阳能热发电定日镜方位角转动静压支撑系统，所述塔式太阳能热发电定日镜包括塔架、液压马达减速机、方位角转动单元及俯仰运动单元。本发明设计了滑槽滑环结构，并通过减压阀及单向阀及毛细节流阀向滑环的下底端面、滑槽上平端面注入油液，极大地提高了润滑性能，使得塔式定日镜方位角的转动扭矩较之机械驱动的扭矩下降了70％，大大降低了方位角转动的驱动扭矩，并使整体驱动装置液压马达的体积都相应大大减小，这样方位角驱动装置的成本也相应降低很多。

Description

一种塔式太阳能热发电定日镜方位角转动静压支撑系统

技术领域

本发明属于太阳能光热发电技术领域，涉及塔式太阳能热发电定日镜，尤其是一种塔式太阳能热发电定日镜方位角转动静压支撑系统。

背景技术

目前，塔式太阳能热发电定日镜驱动装置多为机械驱动装置。例如，中国目前国内第一套1MW发电量塔式太阳能光热电站，已于2014年5月在中科院进行了验收工作，其位置坐落于延庆县。据了解，该电站已有大约40％的定日镜或不能工作或定位精度已达不到设计要求，其光斑的重叠精度大大降低，这就导致吸热塔的光热转换效率降低，直接导致发电效率降低。

经过分析，出现上述问题的主要原因，是因为定日镜的机械运动驱动装置依靠的是齿轮齿条和涡轮蜗杆，再由电机提供动力来传动的；在风力较大的情况下，由于齿轮固有的齿隙致使整体机械装置产生振动和磨损，这样就导致装置的误差加大，噪音加大，从而大大降低机械驱动装置的控制精度。如果将该系统进行磨损补偿设计和提高机械齿轮部件的加工精度设计，都需要承担相当大的成本负担，而高成本对太阳能热发电的发展前景是不利的。

通过专利文献检索，发现如下两篇相关公开专利文献：

1、一种定日镜方位角传动装置(CN103195875A)，包括：总箱体；设置于所述总箱体内的蜗轮蜗杆机构，所述蜗轮蜗杆机构的蜗轮组件上同轴连接有输出级太阳轮轴；驱动电机，所述驱动电机通过减速装置与所述蜗轮蜗杆机构的蜗杆轴相连；设置于所述总箱体内的内齿圈；可转动地设置于所述总箱体上的行星架，所述行星架上设有行星轮轴；可转动地设置于所述行星轮轴上的行星轮组件，所述行星轮组件分别与所述内齿圈和所述输出级太阳轮轴上的太阳轮啮合；与所述行星架连接的输出法兰。

2、一种用于中央塔式发电站的定日镜及其方位角驱动器(CN202404451U)，该方位角驱动器被构造成控制所述定日镜的反射表面的方位角。该方位角驱动器包括被构造成引导所述方位角驱动器操作的控制装置；以及被构造成使所述反射表面旋转的旋转装置。所述控制装置还被构造成向所述旋转装置提供机械能。

通过技术特征的对比，上述两篇公开专利文献都是采用蜗轮蜗杆等机械方式传动，与本专利申请需要解决的问题相同。

发明内容

本发明的目的在于克服现有塔式太阳能热发电定日镜内机械驱动装置驱动的不足之处，提供一种控制精度高、系统误差小的塔式太阳能热发电定日镜方位角转动静压支撑系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种塔式太阳能热发电定日镜方位角转动静压支撑系统，所述塔式太阳能热发电定日镜包括塔架、液压马达减速机、方位角转动单元及俯仰运动单元，其特征在于：在塔架内同轴固装液压马达减速机，该液压马达减速机的输出轴端同轴固装方位角转动单元，方位角转动单元上端同轴固装俯仰运动单元，液压马达减速机驱动方位角转动单元实现定日镜方向角的变动及定位；俯仰运动单元实现定日镜的俯仰角度变动及定位，液压马达减速机、方位角转动单元及俯仰运动单元由液压驱动阀块驱动。

而且，所述方位角转动单元包括滑槽、滑环及压环，滑槽与塔架固装，滑环中部同轴固装在液压马达减速机的输出端，滑环两侧缘活动嵌装在滑槽内，滑环外侧面与滑槽外侧上端面采用压环压装；在滑环与滑槽的立面、滑环与压环的立面之间分别安装有密封环及密封圈；在滑槽内径向制有滑槽进油道，该滑槽进油道在滑环下底面形成下端面油膜，滑槽进油道的进口安装有滑槽进油嘴；在压环内径向分别制有压环进油道及压环出油道，压环下底面与滑环外侧面之间形成上端面油膜；滑槽进油道及压环进油道经过滑环侧面经由压环出油道出油，压环进油道的进油口及压环出油道出油口均安装有压环进油嘴、压环出油嘴。

而且，所述俯仰运动单元由连杆基座、连杆铰轴座、静态连杆、动态连杆、连杆铰轴、活塞杆、俯仰油缸及油缸铰座构成，连杆基座与滑环同轴固装，在连杆基座上固装连杆铰轴座，该连杆铰轴座通过动态连杆铰装连杆铰轴，该连杆铰轴铰装俯仰油缸的活塞杆，俯仰油缸通过油缸铰座与静态连杆铰装，静态连杆固装在连杆基座上。

而且，所述液压驱动阀块对应定日镜的方向角转动单元的滑槽滑环静压转动、方向角转动以及俯仰运动单元，分别设立各自的液压驱动单元。

而且，所述滑槽滑环静压转动的液压单元的连接及工作原理是：启动电机1B泵组后，压力油经过单向阀6B、压力油过滤器5B进入毛细控制回路，压力油经过溢流阀8B、减压阀9B及单向阀10B进入环状连通管，再进入毛细节流阀，最后进入滑槽进油道和压环进油道，压力油在在滑环下底面形成下端面油膜，压力油在压环下底面与滑环外侧面之间形成上端面油膜。

而且，所述方向角转动液压单元的连接及工作原理是：启动电机1A泵组后，压力油由齿轮泵3A经过压力油过滤器5A进入回路，一路经溢流阀6A回油，一路经单向阀8A进入电液比例阀12.1A进油口，还有一路经过电磁球阀7A回油，通过溢流阀6A为系统建立压力；当电磁球阀7A不带电时，压力油引箭头方向回到油箱，此时泵打出的油处于压力卸荷状态；当将电磁球阀7A带电，此时油液受到该阀中单向阀的阻止不能回油箱，系统压力通过溢流阀6A建立；通过PLC指令让电液比例阀12.1A的FX1带电，则压力油经过该比例阀B口进入液压马达减速机15A的B腔，打开液压锁13A的单向阀进入平衡阀14A，打开平衡阀14AD单向阀进入液压马达减速机15A的B口，此时马达开始逆时针旋转，从而驱动定日镜做方位角转动；当PLC指令让电液比例阀12.1A的FX2带电时，此时定日镜做顺时针转动。

而且，所述俯仰运动单元的液压单元的连接及工作原理是：启动电机1A泵组后，压力油由齿轮泵3A经过压力油过滤器5A进入回路，一路经溢流阀6A回油，一路经单向阀8A进入电液比例阀12.1A进油口，还有一路经过电磁球阀7A回油，通过溢流阀6A为系统建立压力；当电磁球阀7A不带电时，压力油引箭头方向回到油箱，此时泵打出的油处于压力卸荷状态；当将电磁球阀7A带电，此时油液受到该阀中单向阀的阻止不能回油箱，此时系统压力可以通过溢流阀6A建立；泵源压力油进入电液比例阀12.2C，PLC指令信号让电液比例阀12.2C的FX3比例电磁铁带电，则压力油通过电液比例阀12.2C的B口进入到控制俯仰运动油缸15C的无杆腔，打开液压锁13C单向阀，打开平衡阀单向阀14C进入到油缸的无杆腔进油口，此时油缸升起定日镜开始做俯仰运动，并通过单闭环控制及高精度位移传感器作为反馈元件。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明应用静压滑环原理，科学设计了滑槽滑环结构，并通过减压阀、单向阀及毛细节流阀向滑环的下底端面、滑槽上平端面注入油液，极大地提高了润滑性能，使得塔式定日镜方位角的转动扭矩较之机械驱动的扭矩下降了70％，大大降低了方位角转动的驱动扭矩，并使整体驱动装置液压马达的体积都相应大大减小，这样方位角驱动装置的成本也相应降低很多。

2、本发明科学设计了电液比例驱动跟踪系统，使得塔式定日镜方向角及俯仰运动都采用电液比例阀选配，二个方向的转动精度都达到了装置要求的控制精度(0.001rad及0.002mm)，驱动转动装置达到8吨，具有极好的低速稳定性和极低的误差，使得吸热塔获得的光斑重叠误差较之机械传动下降了70％左右，提高了发电效率。

3、本发明改善了液压传动液体高压状态下的刚性，使得传动装置的刚度大大增加，可以抵御8级大风，且由于采用比例阀通过PLC指令的PID调节功能使得传动平稳，无换向冲击，反应速度快，传动特性良好。

4、本发明的定日镜转动负载的全部重量都由滑槽来承担，由于滑槽此时处于压力油膜的支撑中，摩擦力极小，即驱动定日镜负载运动的液压马达驱动减速机的扭矩和体积都可以大大降低，大大减少了滑盘在转动中的摩擦力，从而使定日镜的驱动部分体积仅为同类机械控制体积的1/2，同时制造成本也降低了一半，综合性能得到极大提高。

5、本发明考虑到定日镜的运行平稳和降低运动中的冲击，在方位角及俯仰运动液压驱动回路中都设计有平衡回路，其作用是均衡负载，在载荷发生变化时，保证平衡阀的输出流量的均匀性，这样体现在油缸及马达的运动中即是平稳性，不会出现因负载变化引起的爬行现象。

6、本发明考虑到定日镜在某一运动位置需要锁紧定位即安全性，在回路中都设计了液压锁回路(即13A和13C)，即压停泵断电的情况下定日镜可以锁紧在某一安全位置。

7、由于本发明整个方位角及俯仰运动速度都非常慢，方位角转动速度接近0.15°/s，俯仰速度接近0.125°/s，所以本系统的电机功率非常小，仅为0.75KW，其技术优势十分明显。

附图说明

图1为本发明塔式太阳能热发电定日镜的结构剖视主视图；

图2为图1的A部结构放大示意图；

图3为本发明的液压驱动原理图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种塔式太阳能热发电定日镜方位角转动静压支撑系统，所述塔式太阳能热发电定日镜包括塔架11、液压马达减速机12、方位角转动单元及俯仰运动单元，在塔架内同轴固装液压马达减速机，该液压马达减速机的输出轴端同轴固装方位角转动单元，方位角转动单元上端同轴固装俯仰运动单元，液压马达减速机驱动方位角转动单元实现定日镜方向角的变动及定位，俯仰运动单元实现定日镜的俯仰角度变动及定位，液压马达减速机、方位角转动单元及俯仰运动单元由液压驱动阀块驱动。

所述方位角转动单元包括滑槽10、滑环9及压环15，参见图1、2，滑槽与塔架固装，滑环中部同轴固装在液压马达减速机的输出端，滑环两侧缘活动嵌装在滑槽内，滑环外侧面与滑槽外侧上端面采用压环压装；在滑环与滑槽的立面、滑环与压环的立面之间分别安装有密封环16及密封圈17。在滑槽内径向制有滑槽进油道18，该滑槽进油道在滑环下底面形成下端面油膜，滑槽进油道的进口安装有滑槽进油嘴19；在压环内径向分别制有压环进油道14及压环出油道13，压环下底面与滑环外侧面之间形成上端面油膜；滑槽进油道及压环进油道经过滑环侧面经由压环出油道出油，压环进油道的进油口及压环出油道出油口均安装有压环进油嘴20、压环出油嘴21。

所述俯仰运动单元由连杆基座8、连杆铰轴座3、静态连杆5、动态连杆2、连杆铰轴1、活塞杆4、俯仰油缸7及油缸铰座6构成，连杆基座与滑环同轴固装，在连杆基座上固装连杆铰轴座，该连杆铰轴座通过动态连杆铰装连杆铰轴，该连杆铰轴铰装俯仰油缸的活塞杆，俯仰油缸通过油缸铰座与静态连杆铰装，静态连杆固装在连杆基座上。

所述液压驱动阀块的连接图参见图3，该液压驱动阀块对应定日镜的方向角转动单元的滑槽滑环静压转动、方向角转动以及俯仰运动单元，分别设立各自的液压驱动单元。

所述滑槽滑环静压转动液压单元的连接及工作原理是：

启动电机1B泵组后，压力油经过单向阀6B、压力油过滤器5B进入毛细控制回路，压力油经过溢流阀8B、减压阀9B及单向阀10B进入环状连通管，再进入毛细节流阀，最后进入滑槽进油道和压环进油道，压力油在在滑环下底面形成下端面油膜，压力油在压环下底面与滑环外侧面之间形成上端面油膜。系统压力按油膜面积计算为20bar，这两个压力油膜建立以后，滑环即浮动在该两个油膜中，其摩擦力仅为滚动摩擦力的十分之一，这样就大大减少了滑盘在转动中的摩擦力，因为定日镜转动负载的全部重量都由滑槽来承担，由于滑槽此时处于压力油膜的支撑中，摩擦力极小，即驱动定日镜负载运动的液压马达驱动减速机的扭矩和体积都可以大大降低。

所述方向角转动液压单元的连接及工作原理是：

启动电机1A泵组后，压力油由齿轮泵3A经过压力油过滤器5A(过滤精度10u)进入回路，一路经溢流阀6A回油，一路经单向阀8A进入电液比例阀12.1A进油口，还有一路经过电磁球阀7A回油，通过溢流阀6A为系统建立压力(通过调节此阀即可调节系统压力的大小)；当电磁球阀7A不带电时，压力油引箭头方向回到油箱，此时泵打出的油处于压力卸荷状态(油回到油箱压力为零，因为油箱是大气相通的)；当将电磁球阀7A带电(电磁铁通电)，此时油液受到该阀中单向阀的阻止不能回油箱，此时系统压力可以通过溢流阀6A建立。

通过PLC指令让电液比例阀12.1A的FX1(比例电磁铁)带电，则压力油经过该比例阀B口进入液压马达减速机15A的B腔，打开液压锁13A的单向阀进入平衡阀14A，打开平衡阀14AD单向阀进入液压马达减速机15A的B口，此时马达开始逆时针旋转，从而驱动定日镜做方位角转动；当PLC指令让电液比例阀12.1A的FX2带电时，此时定日镜做顺时针转动。

由于采用电液比例阀驱动定日镜做方位角转动，其控制方式为单闭环系统，指令信号通过比较环节与定日镜安装的旋转编码器反馈的信号进行比较后，其偏差值驱动与电液比例阀的阀芯位移成比例的输出压力油来驱动液压马达。经过测试单闭环系统的稳定时间较之普通开环系统缩短近30％，10次重复精度测量稳态误差±0.03，振动极小，定日镜旋转角可以控制精度极高，达到0.001rad。

所述俯仰运动单元的液压单元的连接及工作原理是：

启动电机1A泵组后，压力油由齿轮泵3A经过压力油过滤器5A(过滤精度10u)进入回路，一路经溢流阀6A回油，一路经单向阀8A进入电液比例阀12.1A进油口，还有一路经过电磁球阀7A回油，通过溢流阀6A为系统建立压力(通过调节此阀即可调节系统压力的大小)；当电磁球阀7A不带电时，压力油引箭头方向回到油箱，此时泵打出的油处于压力卸荷状态(油回到油箱压力为零，因为油箱是大气相通的)；当将电磁球阀7A带电(电磁铁通电)，此时油液受到该阀中单向阀的阻止不能回油箱，此时系统压力可以通过溢流阀6A建立。

泵源压力油进入电液比例阀12.2C，PLC指令信号让电液比例阀12.2C的FX3比例电磁铁带电，则压力油通过电液比例阀12.2C的B口进入到控制俯仰运动油缸15C的无杆腔，打开液压锁13C单向阀，打开平衡阀单向阀14C进入到油缸的无杆腔进油口，此时油缸升起定日镜开始做俯仰运动，并通过单闭环控制及高精度位移传感器作为反馈元件。通过试验检测，定日镜俯仰运动精度可以达到0.002mm。

Claims (7)

1.一种塔式太阳能热发电定日镜方位角转动静压支撑系统，所述塔式太阳能热发电定日镜包括塔架、液压马达减速机、方位角转动单元及俯仰运动单元，其特征在于：在塔架内同轴固装液压马达减速机，该液压马达减速机的输出轴端同轴固装方位角转动单元，方位角转动单元上端同轴固装俯仰运动单元，液压马达减速机驱动方位角转动单元实现定日镜方向角的变动及定位；俯仰运动单元实现定日镜的俯仰角度变动及定位，液压马达减速机、方位角转动单元及俯仰运动单元由液压驱动阀块驱动。

2.根据权利要求1所述的塔式太阳能热发电定日镜方位角转动静压支撑系统，其特征在于：所述方位角转动单元包括滑槽、滑环及压环，滑槽与塔架固装，滑环中部同轴固装在液压马达减速机的输出端，滑环两侧缘活动嵌装在滑槽内，滑环外侧面与滑槽外侧上端面采用压环压装；在滑环与滑槽的立面、滑环与压环的立面之间分别安装有密封环及密封圈；在滑槽内径向制有滑槽进油道，该滑槽进油道在滑环下底面形成下端面油膜，滑槽进油道的进口安装有滑槽进油嘴；在压环内径向分别制有压环进油道及压环出油道，压环下底面与滑环外侧面之间形成上端面油膜；滑槽进油道及压环进油道经过滑环侧面经由压环出油道出油，压环进油道的进油口及压环出油道出油口均安装有压环进油嘴、压环出油嘴。

3.根据权利要求1所述的塔式太阳能热发电定日镜方位角转动静压支撑系统，其特征在于：所述俯仰运动单元由连杆基座、连杆铰轴座、静态连杆、动态连杆、连杆铰轴、活塞杆、俯仰油缸及油缸铰座构成，连杆基座与滑环同轴固装，在连杆基座上固装连杆铰轴座，该连杆铰轴座通过动态连杆铰装连杆铰轴，该连杆铰轴铰装俯仰油缸的活塞杆，俯仰油缸通过油缸铰座与静态连杆铰装，静态连杆固装在连杆基座上。

4.根据权利要求1所述的塔式太阳能热发电定日镜方位角转动静压支撑系统，其特征在于：所述液压驱动阀块对应定日镜的方向角转动单元的滑槽滑环静压转动、方向角转动以及俯仰运动单元，分别设立各自的液压驱动单元。

5.根据权利要求4所述的塔式太阳能热发电定日镜方位角转动静压支撑系统，其特征在于：所述滑槽滑环静压转动的液压单元的连接及工作原理是：启动电机1B泵组后，压力油经过单向阀6B、压力油过滤器5B进入毛细控制回路，压力油经过溢流阀8B、减压阀9B及单向阀10B进入环状连通管，再进入毛细节流阀，最后进入滑槽进油道和压环进油道，压力油在在滑环下底面形成下端面油膜，压力油在压环下底面与滑环外侧面之间形成上端面油膜。

6.根据权利要求4所述的塔式太阳能热发电定日镜方位角转动静压支撑系统，其特征在于：所述方向角转动液压单元的连接及工作原理是：启动电机1A泵组后，压力油由齿轮泵3A经过压力油过滤器5A进入回路，一路经溢流阀6A回油，一路经单向阀8A进入电液比例阀12.1A进油口，还有一路经过电磁球阀7A回油，通过溢流阀6A为系统建立压力；当电磁球阀7A不带电时，压力油引箭头方向回到油箱，此时泵打出的油处于压力卸荷状态；当将电磁球阀7A带电，此时油液受到该阀中单向阀的阻止不能回油箱，系统压力通过溢流阀6A建立；通过PLC指令让电液比例阀12.1A的FX1带电，则压力油经过该比例阀B口进入液压马达减速机15A的B腔，打开液压锁13A的单向阀进入平衡阀14A，打开平衡阀14AD单向阀进入液压马达减速机15A的B口，此时马达开始逆时针旋转，从而驱动定日镜做方位角转动；当PLC指令让电液比例阀12.1A的FX2带电时，此时定日镜做顺时针转动。

7.根据权利要求4所述的塔式太阳能热发电定日镜方位角转动静压支撑系统，其特征在于：所述俯仰运动单元的液压单元的连接及工作原理是：启动电机1A泵组后，压力油由齿轮泵3A经过压力油过滤器5A进入回路，一路经溢流阀6A回油，一路经单向阀8A进入电液比例阀12.1A进油口，还有一路经过电磁球阀7A回油，通过溢流阀6A为系统建立压力；当电磁球阀7A不带电时，压力油引箭头方向回到油箱，此时泵打出的油处于压力卸荷状态；当将电磁球阀7A带电，此时油液受到该阀中单向阀的阻止不能回油箱，此时系统压力可以通过溢流阀6A建立；泵源压力油进入电液比例阀12.2C，PLC指令信号让电液比例阀12.2C的FX3比例电磁铁带电，则压力油通过电液比例阀12.2C的B口进入到控制俯仰运动油缸15C的无杆腔，打开液压锁13C单向阀，打开平衡阀单向阀14C进入到油缸的无杆腔进油口，此时油缸升起定日镜开始做俯仰运动，并通过单闭环控制及高精度位移传感器作为反馈元件。