太阳能发电设备直驱式液压系统毕业设计

-I毕 业 设 计 (论 文 )题 目 太阳能发电设备直驱 容积控制式液压系统设计太阳能发电设备直驱式液压系统设计- -I摘 要直驱式容积控制（DDVC）电液伺服系统是近些年研究发展起来的一种新型的容积调速电液伺服系统，具有交流伺服电动机控制的灵活性和液压大出力的双重优点。可靠性高、节能高效、操作与控制简单、小型集成化等优势使系统已在多个领域的装置上获得应用并取得较大的经济效益。被认为是液压控制系统的重要发展方向之一。本文结合太阳能发电设备的应用背景，探索设计太阳能发电设备直驱容积控制式液压系统。经研究表明，直驱式容积控制电液伺服系统作为太阳能发电设备的驱动系统，能够达到太阳能发电设备的驱动标准。与传统太阳能发电设备驱动系统相比，该系统具有传动比精确、承载能力强等诸多优点，特别适用于大功率太阳能发电设备选用。本文通过对太阳能发电相关理论知识研究、太阳能发电设备工作时工况分析、转叶马达设计、直驱式液压动力源集成化设计，最终完成太阳能发电设备直驱容积控制式液压系统设计。关键词 太阳能发电；直驱式容积控制电液伺服系统；定日镜；液压技术太阳能发电设备直驱式液压系统设计- -IIAbstractDirect Drive Volume Control (DDVC) Electro-Hydraulic Servo System is a new kind of volume speeding electro-hydraulic servo system. It has both advantages of AC servo motor controls flexibility and of hydraulic great force. Due to the features of high reliability, high energy-saving efficiency, simple operation and control, small integration, etc., the system has been widely applied to the equipments in many fields and has gained a lot of economic benefits. So it is widely considered to be one of the most important developing directions of the hydraulic control system.In this paper, contact with the application of solar power generation equipment background, explore designing the solar power generation equipment using DDVC Electro-Hydraulic Servo System. After have studied some time, it is shown that DDVC Electro-Hydraulic Servo System can be used as solar power generation equipment drive system, and it meet the driving standard. Comparing with traditional solar power systems, DDVC Electro-Hydraulic Servo System has transmission ratio accurate, strong load-bearing capacity, and many other advantages, it is particularly for high-power solar power generation equipment. In this paper, based on the research of theoretical knowledge of solar power generation and the analysis of its working conditions, designing the vane hydraulic motor, the DDVC hydraulic power source, and finally complete the designing of solar power generation equipment using DDVC Electro-Hydraulic Servo System.Keywords solar power generation; Direct Drive Volume Control Electro-Hydraulic Servo System; heliostat; hydraulic technology太阳能发电设备直驱式液压系统设计- -III目 录摘 要 .IAbstract .II第 1 章 绪 论 .11.1 课题背景 .11.2 课题的目的和意义 .21.3 本论文主要内容 .2第 2 章 太阳能发电相关理论知识研究 .32.1 太阳能发电系统原理及分类 .32.2 太阳运行轨迹及定日镜运动分析 .42.2.1 太阳运行轨迹分析 .42.2.2 定日镜运动规律分析 .52.3 太阳能跟踪系统理论研究 .62.4 本章小结 .8第 3 章 液压系统工况分析 .93.1 明确液压系统技术要求 .93.1.1 液压系统功能要求 .93.1.2 液压系统结构要求 .93.2 分析液压系统工况 .93.2.1 俯仰轴方向载荷分析和计算 .93.2.2 方位轴方向载荷分析与计算 .123.3 本章小结 .14第 4 章 转叶马达设计 .154.1 转叶马达技术要求 .154.2 转叶马达结构设计 .154.3 转叶马达工作压力、流量、排量计算 .174.3.1 俯仰轴马达 .174.3.2 方位轴马达 .184.4 转叶马达关键部件计算 .184.4.1 叶片强度计算 .184.4.2 缸体连接计算 .19太阳能发电设备直驱式液压系统设计- -IV4.4.3 输出轴计算 .204.5 转叶马达管路的设计 .214.5.1 马达进出口油管管径计算 .214.5.2 油管厚度的计算 .214.6 转叶马达关键部位密封设计 .224.6.1 定动叶片与缸体接触密封 .224.6.2 转叶马达内腔与马达转轴密封 .224.7 本章小结 .23第 5 章 直驱式液压动力源（液压包）设计 .245.1 直驱式液压动力源结构组成与原理分析 .245.1.1 拟定液压系统原理图 .245.1.2 直驱式液压动力源原理分析 .245.2 液压元件选型 .265.2.1 双旋向定量泵选型 .265.2.2 变频电机选型 .265.2.3 补油阀、双向液压锁和安全阀阀芯的选型 .265.3 直驱式液压动力源的集成化设计 .275.3.1 直驱式液压动力源总体设计 .275.3.2 集成阀块设计计算 .275.3.3 液压油箱设计计算 .285.4 本章小结 .29结 论 .30致 谢 .31参考文献 .32附录 1 双叶片转叶马达三维结构图 .34附录 2 定日镜总体装配三维示意图 .35太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 1 -1 前言1.1 课题背景传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球还有 20 亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。在可再生能源中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达 80 万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率 5%，每年发电量可达 5.61012 千瓦小时，相当于目前世界上能耗的 40 倍。中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年 17000 亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。中国地处北半球，南北距离和东西距离都在 5000公里以上。在中国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。大多数地区年平均日辐射量在每平方米 4 千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米 7 千瓦时。年日照时数大于 2000 小时。与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。但与国际上蓬勃发展的太阳能发电相比，中国落后于发达国家 1015 年，甚至明显落后于印度。因此中国太阳能发电产业的发展及其紧迫。本课题就是开发太阳能塔式发电设备大平面定日镜太阳跟踪驱动系统，该系统对提高发电效率，特别是大型发电站非常有效。传统的太阳能发电设备采用电机搭配涡轮蜗杆减速器驱动，结构简单，但受机械加工精度限制，该种驱动方式传动间隙引起的跟踪误差方面存在难以逾越的困难，而采用高精度谐波齿轮传动又会使驱动系统成本提高，同时当驱动大面积定日镜时，由于风力和重力载荷的作用使定日镜承受较大的载荷，这就需要电机搭配更大减速比的减速器，从而使工作效率再次降低，而液压驱动系统不仅可以实现定日镜的连续运动，从而提高跟踪精度提高太阳能发电效率并且具有功率密度大，承载能力强的特点，可以实现更大面积的定日镜驱动，同时由于不需要较大减速比的减速器，采用摆动马达直接驱动，具有较宽的速度变化范围，可以实现定日镜在紧急情况的快速运动，这对与抵抗大风，冰雹等剧烈天气极其有利。1.2 课题的目的和意义本毕业设计的目的是开发能够满足太阳能发电设备所需要的具有自主知识太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 2 -产权的直驱液压系统，来满足太阳能发电设备迅猛发展的需要，直驱式容积控制（Direct Drive Volume Control，DDVC）电液伺服系统也叫无阀电液伺服系统，即用调速电动机直接驱动液压泵，这种系统通过改变转向、转速、限转矩来实现换向阀、节流阀、溢流阀的功能，具有电机控制的灵活性和液压出力大的双重优点，与传统电液伺服系统相比节能高效、小型集成化、环保、操作简便、价格经济，目前已经在多个领域的装置上得到应用并取得了很大的经济效益，该项工作已经受到世界各国的重视，成为国际液压领域研究热点之一，同时也是液压技术的一个重要发展方向。因此有必要研究和设计能够应用到太阳能发电的直驱式液压系统。1.3 本论文主要内容本文的主要研究内容是：太阳能发电设备直驱式液压驱动系统设计，现分述如下：1）太阳能发电相关理论知识研究针对太阳能发电设备驱动系统设计，首先要了解太阳能发电原理、太阳能发电系统组成、确定针对何种发电方式进行设计，其次通过对太阳运行轨迹分析及太阳能跟踪系统理论研究，确定所需要设计系统的技术指标及主要工作参数。2）太阳能发电设备工作时工况分析由于太阳能发电设备工作时所受工况情况较为复杂，对太阳能发电设备工作时工况进行详细分析，计算承受何种载荷及其大小。3）转叶式液压马达设计根据太阳能发电设备的功能要求，设计满足太阳能发电设备需求的液压执行元件转叶马达。4）直驱式液压动力源（液压包）设计根据太阳能发电设备及转叶马达技术要求，设计满足太阳能发电设备需求的直驱式液压动力源设计，并进行集成化设计。太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 3 -2 太阳能发电相关理论知识研究2.1 太阳能发电系统原理及分类太阳能发电，目前已发展到工业规模的方式主要有光-热-电、光-电两种能量转换方式。前者称为太阳热能发电，它是利用光学系统聚集太阳辐射热能，用以加热工作介质产生蒸汽，驱动汽轮发电机组发电。后者称为太阳光能发电，也称光伏发电，它是将太阳辐射光能照射到太阳能电池（Photovoltaic cell）上，利用光伏效应直接转变为电能。到目前为止，前者太阳热能发电是太阳能发电的主要方式，具有总装机功率高，发电成本低等优点，适用于大规模发电，市场竞争力较强。在太阳热能发电中，按照集热及发电方式不同分为太阳能塔式，槽式，碟式等发电方式，而其中塔式太阳能热发电技术具有聚光比大，工质吸热温度较高的优点，是最有希望实现大功率发电，替代常规能源的技术手段之一，据美国 unlab 联合实验室预测，到 2020 年，其发成本约为每度 5 美分，将是所有太阳能电技术中成本最低的一种，具有很强的场竟争力。图 2-1 是塔式太阳能热发电原理图。图 2-1 美国“太阳 2 号”塔式太阳热能发电站的运行系统简图 8塔式太阳能热发电系统通常由定日镜群，太阳塔，接收器，发电装置及储能系统构成，其中，定日镜是塔式太阳能热发电系统中不可或缺的重要组成部分，其结构通常由发射镜，框架，支撑架，传动机构，跟踪控制机构等部分组太阳能发电设备直驱式液压系统设计- 4 -成，其功能在于跟踪，捕捉，聚焦和投射太阳光，为整个系统提供所需的太阳能，是实现太阳能热发电的基础。根据国内外研究表明，定日镜的发展趋势是提高单台发射面积，扩大生产规模，创新设计。鉴于此，设计新型定日镜直驱式液压驱动系统，提供更大的承载能力，更高的跟踪精度，对于提高太阳能发电效率，降低太阳能发电成本，促进太阳能发电商业化进程是极其必要的。2.2 太阳运行轨迹及定日镜运动分析2.2.1 太阳运行轨迹分析地球在