Гидравлические системы позиционионирования солнечных концентраторов

Солнечно-тепловые электростанции используют отражающие элементы для концентрации солнечного излучения на приемнике, через который циркулирует теплоноситель. Полученное тепло может использоваться для производства пара и последующей выработки электроэнергии в турбинном цикле.

В отличие от фотоэлектрических панелей, такие установки требуют постоянного изменения положения отражающих конструкций. Зеркала должны сохранять заданную ориентацию относительно солнца и направлять концентрированный поток на приемный элемент.

Точность работы привода напрямую влияет на количество передаваемой тепловой энергии. Отклонение зеркальной конструкции от расчетного положения снижает эффективность концентрации и может привести к неравномерному нагреву оборудования.

Системы слежения за солнцем для солнечных концентраторов

В течение дня положение солнца относительно поверхности земли изменяется. Система слежения рассчитывает требуемый угол поворота отражающих элементов и передает команды исполнительным механизмам.

Такие системы используются в установках различных типов:

• с параболическими желобами;
• с линейными отражателями;
• с параболическими тарелками;
• с полем гелиостатов и центральным приемником.

Конструкция привода зависит от массы подвижных элементов, геометрии концентратора, количества осей перемещения и требуемой точности наведения.

Система позиционирования должна выполнять несколько функций:

• перемещать отражающие элементы по заданному алгоритму;
• удерживать их в расчетном положении;
• корректировать отклонения по сигналам обратной связи;
• переводить конструкцию в безопасное положение при сильном ветре или аварии.

Гидравлические приводы солнечных концентраторов

Гидравлические приводы могут применяться в системах позиционирования крупногабаритных и тяжелых подвижных конструкций, когда требуется создавать значительные усилия при сравнительно компактных размерах исполнительного механизма.

В зависимости от кинематической схемы установки гидропривод может выполнять следующие функции:

• изменять положение несущей конструкции;
• регулировать угол установки отражающих элементов;
• обеспечивать согласованное перемещение нескольких секций;
• удерживать подвижные элементы под действием внешних нагрузок;
• переводить оборудование в заданное или безопасное положение.

Тип исполнительного механизма определяется конструкцией концентратора, характером движения, требуемым усилием, рабочим ходом и условиями эксплуатации. В качестве привода могут применяться гидроцилиндры, гидромоторы или комбинированные механизмы.

Управление движением выполняется с помощью распределительной и регулирующей гидроаппаратуры. При необходимости плавного изменения скорости и точного позиционирования используются пропорциональные клапаны и замкнутые контуры управления с обратной связью по положению.

Состав гидравлической системы позиционирования концентратора

Типовая гидравлическая система позиционирования может включать:

• насосную станцию;
• гидроцилиндры;
• распределительную и регулирующую аппаратуру;
• датчики положения;
• датчики давления и температуры;
• фильтры рабочей жидкости;
• электронную систему управления.

Состав оборудования определяется количеством приводов, требуемой скоростью перемещения и режимом эксплуатации солнечной установки.

При наличии нескольких исполнительных механизмов необходимо учитывать синхронность их работы. Несогласованное перемещение приводов может вызвать перекос конструкции, неравномерное распределение нагрузки и повышенный износ шарнирных соединений.

Для синхронизации могут применяться:

• датчики положения на каждом приводе;
• пропорциональное регулирование;
• делители потока;
• индивидуальные контуры управления;
• программная коррекция движения.

Точность позиционирования солнечного концентратора

Точность наведения зависит не только от характеристик гидроцилиндра, но и от всей системы управления.

На результат влияют:

• люфты механических соединений;
• упругие деформации конструкции;
• сжимаемость рабочей жидкости;
• изменение температуры;
• внутренние утечки;
• ветровая нагрузка;
• точность датчиков положения.

Для контроля фактического положения используются линейные или угловые преобразователи перемещения. Полученный сигнал сравнивается с заданным значением, после чего система корректирует подачу рабочей жидкости к исполнительному механизму.

Пропорциональное управление позволяет изменять скорость перемещения по мере приближения к заданной точке и уменьшать вероятность перерегулирования.

Удержание солнечного концентратора в заданном положении

После завершения перемещения отражающие элементы должны сохранять заданную ориентацию без самопроизвольного смещения.

Для этого в гидравлической схеме могут применяться:

• гидрозамки;
• тормозные клапаны;
• обратные клапаны;
• предохранительная аппаратура;
• системы контроля давления.

Гидрозамок перекрывает рабочие полости цилиндра и удерживает исполнительный механизм при отсутствии управляющего сигнала. Тормозные клапаны обеспечивают контролируемое движение конструкции при действии попутной нагрузки и предотвращают ее неконтролируемое опускание или поворот.

Выбор удерживающей аппаратуры зависит от массы конструкции, направления внешних сил и требований к безопасности.

Защита солнечного концентратора при ветровой нагрузке

Солнечные концентраторы эксплуатируются на открытых площадках и постоянно подвергаются воздействию ветра. При проектировании привода необходимо учитывать как рабочие нагрузки, так и предельные ветровые режимы.

При превышении допустимых значений система управления должна перевести отражающие элементы в безопасное положение, при котором аэродинамические нагрузки на конструкцию минимальны.

Для реализации защитного режима могут использоваться:

• датчики скорости ветра;
• аварийные алгоритмы управления;
• гидроаккумуляторы;
• резервные источники питания;
• клапаны аварийного перевода привода;
• механические фиксаторы.

Безопасное положение определяется конструкцией концентратора и требованиями производителя установки.

Требования к гидростанции солнечного концентратора

Гидравлическая станция должна обеспечивать требуемые давление и расход во всех рабочих режимах.

При проектировании учитываются:

• количество одновременно работающих приводов;
• максимальное усилие перемещения;
• продолжительность рабочего цикла;
• температура окружающей среды;
• требуемый класс чистоты рабочей жидкости;
• допустимый уровень нагрева масла;
• необходимость резервирования насосного оборудования.

Для систем с периодическим перемещением приводов гидростанция может работать кратковременно, включаясь только при корректировке положения. В других случаях требуется постоянная готовность к выполнению управляющих и аварийных команд.

Резервирование насосных агрегатов применяется там, где отказ одного насоса не должен приводить к потере управляемости или невозможности перевода оборудования в безопасное положение.

Проектирование гидроприводов для солнечной энергетики

Гидравлическая система позиционирования должна разрабатываться под конкретную механическую конструкцию. При выборе схемы привода учитываются масса и геометрия подвижных элементов, кинематика механизма, ветровые нагрузки, требуемая точность наведения и алгоритм перевода оборудования в безопасное положение.

К основным исходным данным относятся:

• масса и размеры подвижной конструкции;
• количество осей и исполнительных механизмов;
• требуемые углы и скорости перемещения;
• усилия на штоках гидроцилиндров;
• допустимая погрешность позиционирования;
• расчетные ветровые нагрузки;
• требования к синхронизации приводов;
• режим аварийного перевода конструкции;
• условия окружающей среды;
• параметры системы автоматического управления.

ПНЕВМАКС имеет опыт разработки гидравлических станций, пропорциональных приводов, систем синхронизации и позиционирования для промышленного оборудования. Эти компетенции могут быть применены при проектировании гидроприводов солнечных концентраторов и других крупногабаритных подвижных конструкций в энергетике.

Состав оборудования и архитектура системы управления определяются после анализа технического задания и расчета нагрузок.