液壓系統在塔式光熱電站定日鏡中的應用

摘 要：塔式光熱發電是指利用大規模陣列定日鏡反射太陽光至吸熱塔，通過換熱裝置提供蒸汽，結合傳統汽輪發電機的工藝，從而達到發電的目的。近年來，隨著光熱發電技術的不斷發展，大尺寸定日鏡被更多地應用于塔式光熱電站，同時采用液壓技術也成為驅動定日鏡跟蹤系統的一種新選擇。現參考近年來國內外兩種不同設計風格的光熱電站，總結了其中定日鏡液壓驅動部分各種優點與不足，之后對新興的數字液壓方式進行了介紹，最后探討了光熱發電的發展前景。

關鍵詞：定日鏡;液壓;蓄能器;變頻器;數字液壓

0 ? ?引言

塔式光熱發電是指利用大規模陣列式定日鏡反射太陽光至吸熱塔，通過換熱裝置提供蒸汽，結合傳統汽輪發電機的工藝，從而達到發電的目的。而且，通過加熱溶鹽的方式可以將太陽能儲存在巨大的容器中，在太陽落山后幾個小時仍然能夠帶動汽輪發電。定日鏡是塔式太陽能熱發電站中用于跟蹤太陽并聚集反射太陽光進入位于吸熱塔頂部吸熱器內的重要設備，其跟蹤準確度和穩定性直接影響太陽能熱發電的效率[1]。近年來，隨著光熱發電技術的不斷發展，大尺寸定日鏡被更多地應用于塔式光熱電站，同時采用液壓技術替代小定日鏡所采用的傳統“雙回轉減速機”或“回轉減速機+電動推桿”電傳動技術，成為驅動定日鏡跟蹤系統的一種新選擇。

1 ? ?傳統液壓系統的不同類型

由于光熱電站需要定日鏡一直追蹤太陽實時軌跡，因此，白天需要長時間不間斷地調整定日鏡方位，以便可以使反射太陽光一直聚焦于光塔吸熱器上。高頻率的短時動作是塔式光熱電站定日鏡的主要工作方式。摩洛哥NOOR3期光熱電站和青海海西光熱電站都采用了大面積定日鏡，也都采用了液壓驅動的方式，但由于出自不同的設計院，還是有著不同的風格。

1.1 ? ?蓄能器方式

摩洛哥NOOR3期光熱電站位于努奧光熱發電園區內，工程裝機容量150 MW，是目前世界上已投入商業發電的最大規模塔式光熱電站，于2018年10月20日順利完成可靠性運行試驗。其使用178 m2大尺寸定日鏡，共7 500面，是單體面積全球最大的定日鏡[2]。鏡場部分由西班牙SENOR設計院進行設計，使用液壓+蓄能器的方式進行定日鏡控制。全套液壓系統使用西班牙GLUAL公司的液壓缸和活塞式蓄能器，分別在水平方向布置3個水平缸，豎直方向布置1個俯仰缸，如圖1所示。通過8個單電控電磁閥進行控制;在油缸過濾器部位設有一個壓力傳感器，對過濾器壓力進行監控，過濾器達到設定值進行清理;使用蓄能器儲能，在定日鏡動作最頻繁的時候，可以做到15 min進行一次儲能。

使用蓄能器可以起到儲存能量和穩定壓力的作用，避免油泵的頻繁啟動，另外，如果需要對定日鏡進行高速動作，蓄能器還能起到平穩壓力的作用，可使定日鏡在高速動作的同時基本保持相同速度;3個水平缸的布置方式，在追日模式下可以對驅動油缸位置進行精確控制，使進油量控制在1～2 mL級別，對應定日鏡跟蹤精度可達±0.3 mrad;同時使用密閉式回轉機構，軸承元件整體密封，避免了風沙及異物對軸承的影響，可以使定日鏡在較長時間內做到平穩運行。當然，使用3個水平缸，增加了穩定性的同時，也增加了硬件采購方面的成本;密閉式的軸承使所有的組裝作業都要在定日鏡組裝車間內完成，現場如果出現問題，無法進行故障排查，必須整體吊裝回到組裝車間重新安裝，不利于后期的檢修與維護。

1.2 ? ?變頻器方式

青海海西50 MW光熱電站位于青海省格爾木市，屬于魯能海西州多能互補集成優化示范工程中的光熱發電站，是世界上首個集風光熱儲調荷于一體的多能互補科技創新項目。該項目使用4 400面144 m2大尺寸定日鏡，是目前國內單體定日鏡面積最大、儲熱時間最長的項目，于2020年8月27日順利完成120 h可靠性運行。鏡場部分由西班牙ABENGO設計院與中國電力工程顧問集團西北電力設計院共同設計，使用變頻器+液壓泵的方式對定日鏡進行控制。采用國產370 W電機+小功率變頻器對液壓泵進行驅動，通過變頻電機驅動微型定量柱塞泵為系統提供壓力源，變頻電機分別在高頻和低頻狀態下工作，以應對定日鏡的快速和慢速運動。通過主回路的電磁換向閥控制泵源向驅動供油。

海西電站定日鏡在水平方向布置2個水平缸，豎直方向布置1個俯仰缸，如圖2所示，通過3個雙電控電磁閥進行控制。在追日模式下，通過變頻器給定低頻率對油缸進行精確控制;在早午晚太陽角度變化規律不同的情況下，再對變頻器低頻進行分段設置，而在遇到突然的大風天氣或其他需要緊急收起定日鏡的情況下，可以使用變頻器給定高頻率進行操作，這樣就提升了操作的靈活性與多樣性;同樣地，使用壓力傳感器監控過濾器壓力，可以及時清理油缸。

由于定日鏡水平方向上的驅動由2個油缸來完成，那么不可避免地，在運動過程中，當經過±45°和±135°這4個切缸角時，從2個水平缸配合動作變為1個水平缸單獨動作，在追日模式下速度較慢時，對定日鏡的動作影響不明顯，但當使用高速模式操作時，在經過切缸點時就能明顯感覺到速度的遲緩，而且長時間在固定點位降速也會對回轉軸承造成一定的磨損。

相對于采用蓄能器方式的定日鏡，此方式減少了一套水平缸以及相應的電磁閥，在成本上具有一定優勢，變頻器可以通過編程的方式對頻率進行按需切換，操作更加靈活;而將蓄能器替換為變頻器，變頻器安裝在就地LOC箱內部，位于立柱上人手可及的高度，在檢修上也更為便捷;但是在定日鏡的運動控制上存在些許不足之處，當然這個也要具體情況具體分析，不同的項目需求是選擇方案的一個重要因素。

2 ? ?數字液壓方式

除上述兩種液壓驅動方式之外，還有一種數字液壓技術正在光熱發電中逐步開展應用。數字液壓，即液壓執行器件（油缸、油馬達）的運動特性與電脈沖一一對應，電脈沖的頻率對應油缸的運動速度（油馬達角速度），電脈沖的數量對應油缸的運動行程（油馬達角度），執行器件的精度不受負載、油壓等影響而發生變化。

數字液壓與傳統液壓最大的區別在于，傳統液壓控制方式需要通過外置的傳感器對定日鏡的水平及俯仰方向進行角度測量，而數字液壓只對油缸進行精確控制，通過伸出長度推算當前角度，省去了額外儀表的開支。數字液壓集成了伺服閥精確的控制能力和精度，在構成上更簡單，具有成本優勢。但是由于控制方式的不同，數字液壓無法對鏡片的偏移、定日鏡長時間的地基沉降等其他干擾做出及時有效的響應，在定日鏡面積較小、鏡場場地規模不大的情況下，低成本的數字液壓具有一定的推廣價值。目前已經由北京某公司在西班牙光熱發電測試場進行了測試，作為光熱發電中的新興力量，在解決好干擾源的擾動問題之后，作為一個低成本的液壓驅動方式，數字液壓未來還有很大的發展空間。

3 ? ?結語

由于光熱項目的特殊性，定日鏡具有規模化的特點，一個設備在定標后，出貨量是以百甚至以千為單位進行計算的，這對于國內的生產制造企業是一個非常好的發展機會。在2018年國內某光熱電站正式動工前，EPC方對國內定日鏡的液壓驅動方式進行過一次比對，國內總共只有5個廠家參與，驅動方式無外乎以上3種。國際上，光熱發電目前正處在一個裝機容量不斷增加，配套廠商不斷增多，單位發電成本不斷下降的大環境中，與此同時，我國不論是在政策還是資金上都在大力扶持新能源項目。在光熱發電領域，相比美國、西班牙這些光熱發展較早的國家，我國在理論和技術上還相對落后，相關配套廠家也不多，但未來，光熱發電在中國一定會有更大更好的發展，各廠家也有更多的機會參與到國內外的競爭中去，為國家創造更大的經濟效益。

[參考文獻]

[1] 唐濤，馬振興，郭慶.塔式太陽能熱發電站定日鏡傳動機構的研制[J].機械制造，2019，57（6）：13-14.

[2] 樊濤.摩洛哥努奧三期150 MW塔式光熱電站工程[J].電力勘測設計，2021（6）：2.

收稿日期：2021-08-30

作者簡介：金常鑫（1981—），男，山東濱州人，碩士研究生，工程師，研究方向：自動化、機電一體化、化工過程機械。