太阳能电站液压系统设计与研究.pdf

液 压 气动 与 密 封 ／ 2 01 0年 第 5期 太阳能电站液压系统设计与研究 张 四全 任德志 徐莉 萍 李 楠 河 南科 技大学 机 电工程 学 院 ， 河南 洛 阳4 7 1 0 0 3 摘要 太 阳能以其洁净 、 高效 、 广 阔的前景在新能源的开发研究中占据生要地位。其中槽式太 阳能热发电技术最为成熟 ， 在发达国家 已实现商业化运作。电液控 制系统响应速度快 、 输 出功率大 、 控制精度高 ， 因而在许多领域都得到了广泛的应用 。为了使电液控制技术 应 用到太阳能利用的领域 ．本 文在分析槽式太 阳能 电站 聚热装置运动 特点的基础 上 ，设计 了用 于聚热装置 的液压系统 。并运 用 A ME S i m对液压系统进行仿真分析 ． 为我 国太 阳能电站建设提供一定的理论 支持 。 关键词 太阳能； 液压系统； A M E S i m； 仿真分析 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 0 0 5 0 0 5 6 0 4 D e s i g n a n d S t u d y o f Hy d r a u h c S y s t e m f o r S o l a r Po we r S t a t i o n ZHANG Si qu a r t REN De- z h i XU Li - pi n g LI Na n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， H e n a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， L u o y a n g ， 4 7 1 0 0 3 Ab s t r a c t S o l a r e n e r g y t a k e s a n i mp o r t a n t r o l e i n r e n e wa b l e e n e r g y r e s e a r c h a n d d e v e l o p me n t f o r i t s c l e a n ， h ii g h e ff i c i e n c y a n d b r o a d p ro s p e c t s ．T r 叫g h s o l a r t h e r m a l p o w e r g e n e r a t i o n t e c h n o l o g y i s ma t u r e ；w h i c h h a v e a c h i e v e d c o m me r c i a l o p e r a t i o n s i n t h e d e v e l o p e d c o u n t r i e s ． E l e c t ro h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m h a s b e e n wi d e l y u s e d i n ma n y a r e a s for i t s c h a r a c t e r i s t i c s o f h i g h r e s p o n s e a b i l i t y ， h i s h p o w e r a n d h i g h c o n t r o l p r e c i s i o n ．I n o r d e r t o a p p l y e l e c t r o h y d r a u l i c c o n t r o l t e c h n o l o gy t o t h e s o l a r e n e r g y fi e l d ， t h i s t h e s i s d e s i g n s h y d r a u l i c s y s t e m d i a g r a m a n d a n a l y s i s t h e s y s t e m u s e d AME S i m． I t c a n p r o v i d e c e r t a i n t h e o r e t i c a l s u p p o rt f o r the s o l ar p o w e r s t a t i o n． Ke y W o r ds s o l a r ； h y d r a ul i c s y s t e m； v AMES i m； s i mul a t i o n a na l y s i s O 引言 槽式太阳能热发电技术作为 目前最为成熟的太阳 能热发电利用技术 ，技术人员对与其相关 的换热系统 研制 、 热能储存技术 、 自动跟踪及控制技术等进行 了深 入的研究。 自动跟踪装置要求槽式聚光器时刻对准太 阳， 以保证从源头上最大限度的吸收太 阳能， 据统计跟 踪比非跟踪所获得的能量要高出 3 7 ． 7 ％。 目前常用的聚热器 的驱动方式有伺服电动机驱动 和液压驱动两种形式 。伺服 电动机驱动通过减速机构 直接带动聚热器转 动 ， 低速爬行 问题不好解决 ， 另外 要满足运行要求需要很大的减速 比。皇明集团与中国 科学院电工研究所 、 中国科学院工程物理研究所研发 了一套槽式太阳能聚光器是 由伺服电动机驱动，其研 制 了三个低速超大传动比传动箱 ，最大传动 比竟高达 5 0 0 0 0以上。由于 随着聚热 器 的尺寸加 大 ． 伺服 电动机 也相应增大，所以伺服电动机驱动大多用在示范性质 的 电站建 设 中。 液压驱动的输出扭矩大 ， 间歇时间长 ， 抗交变负载 能力强 ， 可实现无级调速 ， 单站多点 同步控制等优势 ， 收稿 日期 2 0 0 9 1 0 1 3 作者简介 张四全 1 9 8 5 一 ， 男 ， 河南周 口人 ， 硕士研究生。主要研究方向 为电液比例运动控制系统研究． 5 6 为将来大面积聚光发电减低成本提供 了可能 ，在槽式 聚光系统的应用具有很广阔的前景。由国家科技部、 皇 明太 阳能集 团公 司和新 疆新 能源 公 司等共 同投入 研发 经费 ， 2 0 0 4年 1 0月在通县成功组装完成 的 1 2 m长单 轴全槽式太阳能聚热器截光 口面积 3 0 m 的 1 0 k W槽式 太阳能聚光器 。该装置采用了液压驱动单轴全 自动跟 踪控制系统 ，为我 国液压系统在太阳能领域的应用开 了先河。本文根据聚热器的运动特点设计 了一套液压 系统 ， 具有结构简单 ， 成本低等优点 ， 对槽式太 阳能热 电站在 国内 的产业 化提供 了新 的思路 。 1 液压系统设计 1 ． 1 装置结构介绍 槽式 电站单轴跟踪属于槽式 太阳能热发电的一 种 ， 聚热装置的转轴成南北方向布置， 通过驱动机构带 动聚热装置东西方向跟踪太阳的位置。驱动机构的结 构简图如图 1 所示 。集热装置与聚热器支架一起 固定 在驱动装置支架上 ，保证在集热镜面随着太阳位置运 动的过程中与地面保持一定的距离，使装置的整个运 动过程不会与地面发生干涉。液压缸作为驱动元件带 动聚热器支架围绕转轴转动 ， 实现太阳位置的跟踪。在 工作过程中 ， 一个液压缸 1 处于工作状态时， 液压缸 2 随 着驱 动机 构一起 运 动 。当处 于工 作状 态 的液压 缸工 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ， N0 ． 5 ．2 O l O 作 到极限位置时，进行两个液压缸之间的工作状态切 换 ， 液压缸 2处于工作状态 ， 液压缸 1 作为从 动部件随 机构一起运动。这样通过两个液压缸协调工作使聚热 装置连续转动 ， 始终跟踪太阳位置完成整个跟踪过程。 集热管接 头 集热管 支架 转轴 驱动装置 支架 液压缸 l 液压缸 2 一- 一日 __ _ 。 一 O 图 1聚 热 装 置 结 构 简 图 1 ． 2 液 压 系统 设计 根据上述对聚热器 的结构及运 动分析设计如图 2 所示液压系统 。用一个伺服阀配合几个两位两通 阀构 成 两个 液压 缸 的位 置 控 制 系统 。执 行 机构 有 两个 液 压 缸组成 ， 一个液压缸单独的伸 出和收回， 另一个液压缸 作为从动缸相应的收回和伸 出。因为聚热器随着太阳 位置转动 ， 其转动速度相对较低 ， 所 以在系统 中加人蓄 能器 ， 液压泵可以间歇性的工作。当蓄能器的出口压力 低于正常工作值时 ， 再启动液压泵对 系统供油 ， 同时往 蓄 能器 中补 油 ； 当蓄能 器 压力 达 到上 限值 时 ， 液压 泵 停 止工作， 由蓄能器来提供系统工作所需的液压油。 图 2液压系统原理 图 泵出 口安装有单向阀，可防止当系统检修或停止 工作时油液倒流。压力 回路过滤器设有差压发讯装置． 当滤芯污染堵塞到进出油 口压差为预设值时。即发 出 开关信号 ， 此时应立即更换滤芯 。如不能马上停机或及 时更换滤芯 ， 设在过滤器盖内的旁通阀会 自动开启 ， 以 达到保护系统的 目的。油箱中装有液位控制继电器 ， 当 液压油液位处于最低极限位置时 ，会发送开关信号给 控制器， 可以由控制器给出相应 的警告信息。同时油箱 中装有温度传感器 ， 可以实时的监控系统油液的温度 ， 保证系统工作的可靠性 。 由于液压缸对称 的布置有装置两侧 ，当装置匀速 转动的时候 ， 液压缸 的速度将随着位置的不同而不同． 所 以在液压泵的出口设置一个 比例溢流阀。能过不同 阶段给定 比例溢流阀不 同的开度 ，调节系统的工作压 力 。 图 中电 磁 铁 D1和 D 2 、 D 7和 D 8布 置 在 液 压 缸 l 的回路 中， D 3和 D 4 、 D 9和 D1 0布置在液压缸 2的回路 中。当液压缸 1 处于工作状态时， 电磁铁 D1 、 D 2得电。 D 7 、 D 8断电，由伺服阀与液压缸 1 构成阀控缸系统驱 动聚热装置。同时， 液压缸 2所在回路中的电磁铁 D 3 、 D 4断电 ， D 9 、 D1 0得 电 ，把 液压缸 2的两 腔与油箱接 通 ， 液压缸 2在随动过程 中从油箱补油。液压缸进行状 态切换后 。 情况与上边的分析相反 。 通过不 同的通， 断电 组合实现一个液压缸伸出或缩回 ，另外一个液压缸跟 随从动。从而实现集热装置在两个液压缸的作用下连 续 实时 的跟踪 太 阳。 1 ． 3聚热 镜面 工作 过程分 析 聚热器 的工作过程包括正向工作循环和反 向复位 循环两个过程 。正向工作过程指太 阳能集热器实时跟 踪太 阳的过程 ， 转动角度与太 阳位置相对应 ， 转动速度 较慢 。反 向复位过程指完成一天的跟踪过程后， 集热装 置返 回到初始位置为第二天的跟踪做好准备 ，与正向 工作过程相逆 ，所不同的只是复位过程 以较快速度完 成位置 9到位置 l的转动 。因此 ， 只对正向工作过程进 行分析。图 3所示是聚热器的正向工作过程简图， 工作 过程包括以下 4个工作阶段 1 位置 l到位置 2 在这个 阶段 ， 液压缸 2作为主 动缸收回， 带动装置围绕转轴旋转。液压缸 1则作为从 动缸随着装置一起运动。伺服阀阀芯向右移动 ， 电磁铁 D 3和 D 4 、 D 7和 D 8通 电 ，液压 缸 2收 回 ，液 压缸 l 随 动。装置从保护位置 1转动到互换工作状态位置 l ， 为 正常的跟踪工作准备。 2 位置 2到位置 5 在这个 阶段 ， 液压缸 1 作为主 动缸收回， 带动装置围绕转轴旋转。液压缸 2则作为从 5 7 液 压 气 动 与 密 -3 “ ／ 2 0 1 0年 第 5期 动缸随着装置一起运动。伺服阀阀芯向左移动 ， 电磁铁 D1 和 D 2 、 D 9和 D 1 0通 电 ， 液压 缸 1 收 回 ， 液压 缸 2随 动。装置从互换工作状态位置 1转动到互换工作状态 位 置 2 ．中间 经历 了开 始 工作 位置 和 液压 缸 2缩 回到 最短 位置 ．此 时太 阳处 于天 空正 中 ，跟踪 过程 完成 一 半。 f 3 位置 5到位置 8 在这个阶段 ， 液压缸 2作为主 动缸伸出， 带动装置围绕转轴旋转 。液压缸 1 则作为从 动缸随着装置一起运动。伺服阀阀芯向左移动 ， 电磁铁 Dl 和 D 2 、 D 9和 D 1 0通 电 ， 液压 缸 2伸 出 ， 液压 缸 1 随 动。装置从互换工作位置 2转动到互换工作状态位置 3 ，中间经历 了液压缸 1伸出最小位置和工作完成位 置 。 4 位置 8到位置 9 在这个阶段 ， 液压缸 1 作为主 动缸伸出． 带动装置围绕转轴旋转。液压缸 2则作为从 动缸随着装置一起运动。伺服阀阀芯向右移动 ， 电磁铁 D 3和 D 4 、 D 7和 D 8通电， 油缸 1 伸出， 油缸 2随动。液 压缸回到保护位置 2 ，等待进行反向复位工作循环 ， 为 下次跟踪工作准备。 镜面一 l 5 镜面旷 镜面 2 2 5 镜而 5 7 。 镜面 9 0 。 保护位置 I 油自 I 互换 l 作状态 J 升始 I‘ 作位置 缶 f 2 仲⋯最小 油缶 『 换 【 作状态2 位置6 位置 7 位置8 位置9 、 盔 态 箍 曝 图 3 聚光器工作位置图 2 系统仿真验证 2 ． 1 仿真环 境介 绍 本文采用 A ME S i m软件对设计的液压系统进行仿 真分析。A ME s i m是法 国 I MA G I N E公司推出的专门用 于液压 、 机械系统的建模 、 仿真及动力学分析的软件 。 它具有完全图形界面 ，在整个仿真过程中系统都是 以 图形的形式来显示的， 在表示元件方面， 对于液压元件 采用基于工程领域的标准 I S O符号 ； 对于控制系统 ， 则 采用图表符号； 对于没有标准符号的， 则采用能代表系 统的容易识别的图画符号。在下文的叙述 中，子模型 5 8 f s u b m o d e l s 用来组成系统 的每个元件背后的数学模型， 包括方程式和与之对应的程序。它操作方便 ， 通过其各 种模型库来设计系统 模型库可通过客户化不断升级 和改进 ， 从而可快速达到建模仿真的最终目标。 A M E S i m根据仿真步骤 自然地分为 4个工作模式 草图模式 、 子模型模式 、 参数模式和运行模式 。 在草图模式下根据实际工程系统的工作原理利用 元件库中的元件图标搭建系统模型 ，系统搭建完成后 便可进入子模型模式 ，这时需要为每个元件选择合适 的子模型 即数学模 型 ， 对 于不同的元件 ， 子模型可能 不止一个 ， 需要根据实际情况选择最合适的。 接着在参数模式 下为每个元件设定必要的参数 ， 如活塞直径 、 滑阀开度和所加控制信号等。最后在运行 模式下 ， 设置好仿真时间、 采样间隔等初始条件后进行 仿真。 仿真结束后可以对需要的参数进行绘图以进行分 析研究 ， 也可以对系统进行线性化 ， 并进行时域和频域 的相关分析。 2 ． 2 系统 建模 在草 图模式下，从 A ME S i m提供 的液压库从拖 出 所需的液压泵 、 伺服 阀、 液压缸等模块 ， 在 图中液压模 块为蓝色显示部分 ； 从机械库中拖出电动机、 直线运动 联结模块和位移检测模块 。在图中机械模块为绿色显 示部分 ； 从信号库中拖出所需 的信号发生模块、 功能函 数模块 、 比例放大模块和 P I D模块 ， 在图中信号模块为 红色显示部分。按液压系统图连接成如图4所示。 在仿 真的时候 。检测液压缸 1的位移作为反馈构成闭环控 制 ， 观察系统的稳定性。 图 4系统仿真模型 图 2 ． 3仿 真 曲线 在子模型模式和参数模式 ，通过系统 自动配置为 龃 ㈣ ． Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l 8 ／ N O ． 5 ． 2 0 1 0 每一个元件选择合适的子模 fl P 数学模型 ； 为每一个 元件设置相应的参数 ，其 中直线运动连接模块的数据 按照结构分析的结果导入 ，使从动缸位移与主动缸的 位移与结构分析相符 。然后进入运行模式进行仿真 ， 仿 真完成后通过拖拉液压缸的位移使两缸长度 曲线绘制 在一个图中。图 5为两个液压缸的长度曲线 。 从 曲线中 可以看出， 两缸的位移是对称的 ， 这与运动机构对称相 符 。通过调节 P I D模块 的参数 比例 1 0 0 0， 积分 2 4 0 ， 微 分 0 ． 5 ， 使理论 曲线与实现曲线 的误差小于 l m m。 如 图 6所示 。 液 缸1位置 ．T ime [ s ] 图 5 液压缸位置曲线 一 e r r o r [ m m1 图 6液压缸误差 曲线 3 结论 本文根据聚热装置的结构和装置的运动特点 ． 独 十 一 ■ 一一 - 一 - 一一 一 - - 一 上接第 3 0页 参 考 文 献 [ 1 】 孙建春 ， 王健 ， 彭 晓东． 纳米复合镀层的沉积机理及其摩擦学 特性研究现状[ J ] ． 材料导报 ， 2 0 0 3 4 6 1 - 6 2 ． [ 2 】 冶银平 ， 张永 胜 ， 孙晓军． N i A 1 2 0 3纳米 复合涂层 的制备 及 其摩擦学性能研究[ J ] ． 摩擦学学报 ， 2 0 0 3 2 1 0 4 1 0 7 ． 【 3 】 蒋文斌 ， 徐 滨士 ， 董世运． 纳米 复合镀 层研究 现状[ J ] ． 材料保 护 ， 2 0 0 2 6 1 - 3 ． [ 4 ] 刘 小兵 ， 王徐承． 复合电沉积 的最新研究动态[ J 】 ． 电化学 ， 2 0 0 3 2 1 7 - 1 2 5 ． 特的设计出槽式太阳电站液压系统 。 该系统具有 以下 特点 1 主油路 中设 置 比例 溢流 阀和蓄能器 ， 可 以动 态的调整系统压力 ， 保证 系统正常工作 ， 也可 以使 液 压泵 间歇工作 ， 减少不 必要 的能量损失 ， 达到节 能的 目的 。 2 通过两位两通换 向阀不 同的开关组合 ， 系统 中 的两个液压缸可以共用一个 电液伺服阀 ，从一定程度 上简化了液压控制系统。 3 在液压缸伸 出过程中 ， 通过开启 不同的两位两 通换 向阀 ， 对液压缸进行补油 ， 减少 了补油回路 ， 方便 液压站的设计 ， 方便系统维护。 4 通过仿真分析可以看 出， 常用的 P I D控制算法 能够精确的控制液压缸的位置。说明伺服阀构成 的阀 控制液压系统能够满足聚热装置所需的跟踪精度。 参 考 文 献 [ 1 】 王长贵， 崔容 强等． 新 能源发 电技术 [ M】 ， 北京 中国电力 出版 社． 2 0 0 3 ． [ 2 】 张宝星． 太 阳能利用 的跟踪 与聚集 系统研究【 D 】 ， 合肥 工业 大 学研究生硕 士学位论文， 2 0 0 6 ． 【 3 】 许 益民． 电液 比例控制系统分析与设计[ M 】 ． 北京 机械工业出 版社． 2 o 0 5 ． 【 4 ] 孙 雁利， 裴学智 ． 比例 系统 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