一种塔式光热发电定日镜旋转调节机构及控制方法

实用新型 · 2020-04-24
申请号:CN202010039869.2 申请日:20200115 公开号:CN110850899A 公开日:20200228 授权公告号:CN110850899B 授权公告日:20200410 申请人地址:310021 浙江省杭州市江干区大农港路1216号 国家/省市:86(杭州) 代理机构:33235 主分类号:G05D3/12 代理人:龙湖浩 申请人:杭州锅炉集团股份有限公司 当前权利人:杭州锅炉集团股份有限公司 发明人:陆成;陈鑫;唐宁;葛婷婷;童水光;罗飞;童哲铭 分类号:G05D3/12 简要说明:本发明涉及一种塔式光热发电定日镜旋转调节机构及控制方法,通过双电机同时驱动以增大扭矩、减少电机成本,再经过齿轮的耦合传动,实现俯仰和旋转两个自由度转动,同时基于数据建立期望的调节角度与电机转速、电机转动时间的神经网络函数关系模型,达到精准调节的目的。 主权利要求:1.一种塔式光热发电定日镜旋转调节机构,其特征在于,包括半轴锥齿轮组件A、半轴锥齿轮组件B、锥齿轮A、锥齿轮B、行星轮轴、壳体部分;半轴锥齿轮组件A通过与锥齿轮A啮合连接传动;锥齿轮A与半轴锥齿轮组件B啮合连接;半轴锥齿轮组件B与锥齿轮B啮合连接;锥齿轮B再与半轴锥齿轮组件A啮合连接;行星轮轴与锥齿轮A、锥齿轮B固定连接,并通过轴承与壳体部分连接;行星轮轴两端通过连杆与定日镜相连,带动定日镜做两个方向的运动;壳体部分之间通过螺栓连接在最外层;所述半轴锥齿轮组件A包括半轴锥齿轮、深沟球轴承A、深沟球轴承B、轴承座、轴套、轴用弹性挡圈、孔用弹性挡圈;半轴锥齿轮的轴端与电机相连,半轴锥齿轮靠近齿轮端通过深沟球轴承A与轴承座相连,使其半轴锥齿轮能够在轴承座中旋转;半轴锥齿轮外套有轴套,轴套在深沟球轴承A、深沟球轴承B中间;深沟球轴承B与轴承座与半轴锥齿轮相连,加强半轴锥齿轮垂直方向的受力;轴用弹性挡圈卡在半轴锥齿轮轴槽中与固定深沟球轴承B内圈接触,孔用弹性挡圈卡在轴承座的槽内与深沟球轴承B外圈接触,以固定深沟球轴承B;所述半轴锥齿轮组件B与半轴锥齿轮组件A完全相同,半轴锥齿轮组件B布置在半轴锥齿轮组件A对面;锥齿轮A、锥齿轮B同时与半轴锥齿轮组件A、半轴锥齿轮组件B的半轴锥齿轮啮合;所述壳体部分包括端盖、螺栓;端盖共六个,通过螺栓拼装成立方体将整个结构放在里面;行星轮轴通过轴承与端盖连接;两个电机带动半轴锥齿轮A与半轴锥齿轮B旋转;半轴锥齿轮A与半轴锥齿轮B再将动力传递到锥齿轮A、锥齿轮B;通过锥齿轮A、锥齿轮B的旋转方向与旋转速度的差异将动力传递给行星轮轴,使行星轮轴做俯仰与翻转两个自由度的运动,进而行星轮轴带动定日镜做两自由度运动。 当前状态:1 代理机构:杭州华知专利事务所(普通合伙) 33235 引用专利:CN 203673360 U,20140625;CN 108549415 A,20180918;CN 207867352 U,20180914;CN 108345320 A,20180731;US 4021031 A,19770503;CN 102467130 A,20120523 权利要求,1.一种塔式光热发电定日镜旋转调节机构,其特征在于,包括半轴锥齿轮组件A、半轴锥齿轮组件B、锥齿轮A、锥齿轮B、行星轮轴、壳体部分;半轴锥齿轮组件A通过与锥齿轮A啮合连接传动;锥齿轮A与半轴锥齿轮组件B啮合连接;半轴锥齿轮组件B与锥齿轮B啮合连接;锥齿轮B再与半轴锥齿轮组件A啮合连接;行星轮轴与锥齿轮A、锥齿轮B固定连接,并通过轴承与壳体部分连接;行星轮轴两端通过连杆与定日镜相连,带动定日镜做两个方向的运动;壳体部分之间通过螺栓连接在最外层;所述半轴锥齿轮组件A包括半轴锥齿轮、深沟球轴承A、深沟球轴承B、轴承座、轴套、轴用弹性挡圈、孔用弹性挡圈;半轴锥齿轮的轴端与电机相连,半轴锥齿轮靠近齿轮端通过深沟球轴承A与轴承座相连,使其半轴锥齿轮能够在轴承座中旋转;半轴锥齿轮外套有轴套,轴套在深沟球轴承A、深沟球轴承B中间;深沟球轴承B与轴承座与半轴锥齿轮相连,加强半轴锥齿轮垂直方向的受力;轴用弹性挡圈卡在半轴锥齿轮轴槽中与固定深沟球轴承B内圈接触,孔用弹性挡圈卡在轴承座的槽内与深沟球轴承B外圈接触,以固定深沟球轴承B;所述半轴锥齿轮组件B与半轴锥齿轮组件A完全相同,半轴锥齿轮组件B布置在半轴锥齿轮组件A对面;锥齿轮A、锥齿轮B同时与半轴锥齿轮组件A、半轴锥齿轮组件B的半轴锥齿轮啮合;所述壳体部分包括端盖、螺栓;端盖共六个,通过螺栓拼装成立方体将整个结构放在里面;行星轮轴通过轴承与端盖连接;两个电机带动半轴锥齿轮A与半轴锥齿轮B旋转;半轴锥齿轮A与半轴锥齿轮B再将动力传递到锥齿轮A、锥齿轮B;通过锥齿轮A、锥齿轮B的旋转方向与旋转速度的差异将动力传递给行星轮轴,使行星轮轴做俯仰与翻转两个自由度的运动,进而行星轮轴带动定日镜做两自由度运动。2.根据权利要求1所述的一种塔式光热发电定日镜旋转调节机构,其特征在于,深沟球轴承B为两端带密封圈的深沟球轴承。3.根据权利要求1-2中任一项所述的一种塔式光热发电定日镜旋转调节机构的控制方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1:建立神经网络模型,采用定日镜调节前的初始俯仰角度 θ1、横向翻转角度 θ2,调节后的俯仰角度 θ1’、横向翻转角度 θ2’为输入数据;采用两个电机的转速 v1、 v2和时间 t1、 t2为输出数据,转速逆时针为正,顺时针为负; 步骤2:针对步骤1的神经网络模型,获取训练数据,进行神经网络离线训练,数据获取采用加速度传感器采集输入数据、电机编码器传感器采集两个电机的转速 v1、 v2; 步骤3:基于步骤2训练好的模型,控制器通过定日镜角度控制需求,输入初始俯仰角度 θ1、横向翻转角度 θ2,调节目标的俯仰角度 θ1’、横向翻转角度 θ2’至步骤2的神经网络模型,从而得到两个电机的转速和时间进行定日镜运动控制。 4.根据权利要求3所述的一种塔式光热发电定日镜旋转调节机构的控制方法,其特征在于,步骤1中所述的神经网络模型为多层感知机神经网络方式,包含两层隐含层神经网络,每层神经元的个数为5-10。 说明书, 一种塔式光热发电定日镜旋转调节机构及控制方法 技术领域 本发明属于光热发电自动化技术领域,具体涉及一种塔式光热发电定日镜旋转调节机构及控制方法。 背景技术 太阳能作为一种清洁能源在发电领域日益增多。塔式太阳能光热发电是一种太阳能的利用方式,塔式太阳能光热发电基本原理是通过定日镜将太阳能反射到高塔上的吸热器上,对吸热器内部工质加热,进而发电。 塔式太阳能光热发电系统包含数千个定日镜,数量巨大。定日镜是一种平面镜,太阳光照射到定日镜,再由定日镜反射到吸热器上,起到聚光的作用。由于太阳的位置每时都在发生变化,为了达到良好的聚光效果,定日镜需具备俯仰、翻转两个自由度,以此调节定日镜的角度来追踪太阳位置变化与反射到吸热器上的位置变化关系。目前,一个定日镜的旋转调节机构一般为两个电机独立控制每个自由度,由于一套塔式太阳能光热发电系统定日镜数量巨大,因此设计出调节精度高、成本低廉的定日镜旋转调节机构与控制方法尤为重要。 目前针对塔式光热发电定日镜旋转调节机构现有技术如下:(1)以中国专利201611240547.4为例,通过一个电机带动电动推杆,使其推杆做上下滑动从而让定日镜做一个自由度的俯仰运动,这种方法仅有一个自由度的运动,定日镜的控制受到了限制。(2)以中国专利201610378127.6为例,通过蜗轮蜗杆装置以及推杆装置控制定日镜做两个运动轴的运动,但此方法采用蜗轮蜗杆传动,传动效率很低,并且两个运动轴的运动为独立控制。 发明内容 本发明所要解决的技术问题是提供一种塔式光热发电定日镜旋转调节机构及控制方法,通过双电机同时驱动以增大扭矩、减少电机成本,再经过齿轮的耦合传动,实现俯仰和旋转两个自由度转动,同时基于数据建立期望的调节角度与电机转速、电机转动时间的神经网络函数关系模型,达到精准调节的目的。 本发明解决技术问题所采用的技术方案是: 一种塔式光热发电定日镜旋转调节机构,包括半轴锥齿轮组件A、半轴锥齿轮组件B、锥齿轮A、锥齿轮B、行星轮轴、壳体部分;半轴锥齿轮组件A通过与锥齿轮A啮合连接传动;锥齿轮A与半轴锥齿轮组件B啮合连接;半轴锥齿轮组件B与锥齿轮B啮合连接;锥齿轮B再与半轴锥齿轮组件A啮合连接;行星轮轴与锥齿轮A、锥齿轮B固定连接,并通过轴承与壳体部分连接;行星轮轴两端通过连杆与定日镜相连,带动定日镜做两个方向的运动;壳体部分之间通过螺栓连接在最外层。 所述半轴锥齿轮组件A包括半轴锥齿轮、深沟球轴承A、深沟球轴承B、轴承座、轴套、轴用弹性挡圈、孔用弹性挡圈;半轴锥齿轮的轴端与电机相连,半轴锥齿轮靠近齿轮端通过深沟球轴承A与轴承座相连,使其半轴锥齿轮能够在轴承座中旋转;半轴锥齿轮外套有轴套,轴套在深沟球轴承A、深沟球轴承B中间;深沟球轴承B与轴承座与半轴锥齿轮相连,加强半轴锥齿轮垂直方向的受力;轴用弹性挡圈卡在半轴锥齿轮轴槽中与固定深沟球轴承B内圈接触,孔用弹性挡圈卡在轴承座的槽内与深沟球轴承B外圈接触,以固定深沟球轴承B。 所述半轴锥齿轮组件B与半轴锥齿轮组件A完全相同,半轴锥齿轮组件B布置在半轴锥齿轮组件A对面;锥齿轮A、锥齿轮B同时与半轴锥齿轮组件A、半轴锥齿轮组件B的半轴锥齿轮啮合。 所述壳体部分包括端盖、螺栓;端盖共六个,通过螺栓拼装成立方体将整个结构放在里面;行星轮轴通过轴承与端盖连接。 进一步地,深沟球轴承B为两端带密封圈的深沟球轴承,起到防水防灰的作用。 塔式光热发电定日镜旋转调节机构的动力传递过程为:两个电机带动半轴锥齿轮A与半轴锥齿轮B旋转;半轴锥齿轮A与半轴锥齿轮B再将动力传递到锥齿轮A、锥齿轮B;通过锥齿轮A、锥齿轮B的旋转方向与旋转速度的差异将动力传递给行星轮轴,使行星轮轴做俯仰与翻转两个自由度的运动,进而行星轮轴带动定日镜做两自由度运动。 本发明还提供了一种塔式光热发电定日镜旋转调节机构的控制方法,该方法采用以上所述的塔式光热发电定日镜旋转调节机构: 步骤1:建立神经网络模型,采用定日镜调节前的初始俯仰角度 θ 1、横向翻转角度 θ 2,调节后的俯仰角度 θ 1 ’、横向翻转角度 θ 2 ’为输入数据;采用两个电机的转速 v 1、 v 2和时间 t 1、 t 2 为输出数据,转速逆时针为正,顺时针为负; 进一步地,神经网络模型为多层感知机神经网络方式,包含两层隐含层神经网络,每层神经元的个数为5-10; 步骤2:针对步骤1的神经网络模型,获取训练数据,进行神经网络离线训练,数据获取采用加速度传感器采集输入数据、电机编码器传感器采集两个电机的转速 v 1、 v 2; 进一步地,输入数据俯仰角度 θ 1、横向翻转角度 θ 2,调节后的俯仰角度 θ 1 ’、横向翻转角度 θ 2 ’进入神经网络前需进行中心化处理; 步骤3:基于步骤2训练好的模型,控制器通过定日镜角度控制需求,输入初始俯仰角度 θ 1、横向翻转角度 θ 2,调节目标的俯仰角度 θ 1 ’、横向翻转角度 θ 2 ’至步骤2的神经网络模型,从而得到两个电机的转速和时间进行定日镜运动控制。 本发明的有益效果是: (1)本发明的一种塔式光热发电定日镜旋转调节机构,通过锥齿轮啮合差动传动,最终动力传递给行星轮轴,通过同时控制两个电机的转速和方向,从而实现不同方位角的输出,满足定日镜的俯仰和横向翻转的控制功能要求。 (2)本发明与传统的两个电机独立控制定日镜的旋转相比,采用了两个电机同时控制定日镜的转动,是传统独立控制电机两倍输出扭矩,进而可以减少电机的选型设计,可以选用小的功率的电机,这对于成千个定日镜组成的塔式光热发电系统,极大节约了成本。 (3)本发明采用齿轮传动,传动平稳效率高,动态响应速度快,便于定日镜的精确控制。 (4)本发明通过神经网络模型,建立需要的定日镜调节角度与电机转速、时间的关系,在实际控制时可以用训练好的模型进行调节定日镜的旋转;并且随着长时间的运行,定日镜旋转调节机构的齿轮会出现磨损,进而增大齿隙误差,本发明可以方便的增加最新数据,重新训练模型,消除齿隙变大带来的影响,具有好的抗干扰性。 附图说明 图1 为本发明塔式光热发电定日镜旋转调节机构的剖视图。 图2为本发明塔式光热发电定日镜旋转调节机构的左视图。 图3为本发明塔式光热发电定日镜旋转调节机构控制方法的神经网络模型图。 图4为本发明神经网络训练过程的验证集真值与预测值对比图。 具体实施方式 以下结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明,应当指出的是,具体实施方式只是对本发明的详细说明,不应视为对本发明的限定。 本发明的一种塔式光热发电定日镜旋转调节机构,如图1、图2所示,包括半轴锥齿轮组件A、半轴锥齿轮组件B、锥齿轮A10、锥齿轮B12、行星轮轴8、壳体部分;半轴锥齿轮组件A通过与锥齿轮A10啮合连接传动;锥齿轮A10与半轴锥齿轮组件B啮合连接;半轴锥齿轮组件B与锥齿轮B12啮合连接;锥齿轮B12再与半轴锥齿轮组件A啮合连接;行星轮轴8与锥齿轮A10、锥齿轮B12固定连接,并通过轴承与壳体部分连接;行星轮轴8两端通过连杆与定日镜15相连,带动定日镜15做两个方向的运动;壳体部分之间通过螺栓连接在最外层。 作为一种优选的方式,半轴锥齿轮组件A包括半轴锥齿轮4、深沟球轴承A7、深沟球轴承B5、轴承座1、轴套6、轴用弹性挡圈3、孔用弹性挡圈2;半轴锥齿轮4的轴端与电机相连,半轴锥齿轮4靠近齿轮端通过深沟球轴承A7与轴承座1相连,使其半轴锥齿轮4能够在轴承座1中旋转;半轴锥齿轮4外套有轴套6,轴套6在深沟球轴承A7、深沟球轴承B5中间,起到定位深沟球轴承A7、深沟球轴承B5的作用;深沟球轴承B5与轴承座1与半轴锥齿轮4相连,加强半轴锥齿轮4垂直方向的受力;轴用弹性挡圈3卡在半轴锥齿轮轴4槽中与固定深沟球轴承B5内圈接触,孔用弹性挡圈2卡在轴承座1的槽内与深沟球轴承B5外圈接触,以固定深沟球轴承B5。 作为一种优选的方式,半轴锥齿轮组件B与半轴锥齿轮组件A完全相同,半轴锥齿轮组件B布置在半轴锥齿轮组件A对面;锥齿轮A10、锥齿轮B12同时与半轴锥齿轮组件A、半轴锥齿轮组件B的半轴锥齿轮啮合。 作为一种优选的方式,壳体部分包括端盖13、螺栓14;端盖13共六个,通过螺栓14拼装成立方体将整个结构放在里面;行星轮轴8通过轴承9与端盖13连接。 作为一种优选的方式,深沟球轴承B5为两端带密封圈的深沟球轴承,由于定日镜工作在室外,选用两端带密封圈的深沟球轴承起到防水防灰的作用。 塔式光热发电定日镜旋转调节机构的动力传递过程为:两个电机带动半轴锥齿轮A4与半轴锥齿轮B11旋转;半轴锥齿轮A4与半轴锥齿轮B11再将动力传递到锥齿轮A10、锥齿轮B12;通过锥齿轮A10、锥齿轮B12的旋转方向与旋转速度的差异将动力传递给行星轮轴8,使行星轮轴8做俯仰与翻转两个自由度的运动,本实例中,当锥齿轮A10、锥齿轮B12的旋转方向为同向同速运动时,行星轮轴8只做俯仰自由度的运动,当锥齿轮A10、锥齿轮B12的旋转方向为相反同速运动时,行星轮轴8只做横向翻转自由度的运动;当锥齿轮A10、锥齿轮B12的速度不同时,行星轮轴8既做俯仰自由度的运动又有横向翻转自由度,进而行星轮轴8带动定日镜15做两自由度运动,达到混合的运动方式。 本发明还提供了一种塔式光热发电定日镜旋转调节机构的控制方法,该方法采用以上所述的塔式光热发电定日镜旋转调节机构: 步骤1:建立神经网络模型,如图3所示,采用定日镜调节前的初始俯仰角度 θ 1、横向翻转角度 θ 2,调节后的俯仰角度 θ 1 ’、横向翻转角度 θ 2 ’为输入数据;采用两个电机的转速 v 1、 v 2和时间 t 1、 t 2 为输出数据,转速逆时针为正,顺时针为负; 作为一种优选的方式,所述的神经网络模型为多层感知机神经网络方式,包含两层隐含层神经网络,每层神经元16的个数为5-10,本实施例中选用的每层神经元16的个数为5,激活函数采用Relu激活函数; 步骤2:针对步骤1的神经网络模型,获取训练数据,进行神经网络离线训练; 作为一种优选的方式,数据获取采用六轴加速度传感器获取初始俯仰角度 θ 1、横向翻转角度 θ 2,调节后的俯仰角度 θ 1 ’、横向翻转角度 θ 2 ’,采用绝对编码器传感器获取电机的转速 v 1、 v 2; 作为一种优选的方式,输入数据俯仰角度 θ 1、横向翻转角度 θ 2,调节后的俯仰角度 θ 1 ’、横向翻转角度 θ 2 ’进入神经网络前需进行中心化处理; 作为一种优选的方式,所述的神经网络模型训练方式为:训练集采用3000组数据,验证集采用1000组数据进行训练,图4为部分的验证集的真值与预测值对比,可以看出建立的模型能够很好拟合输入与输出的关系。 步骤3:基于步骤2训练好的模型,控制器通过定日镜角度控制需求,输入初始俯仰角度 θ 1、横向翻转角度 θ 2,调节目标的俯仰角度 θ 1 ’、横向翻转角度 θ 2 ’至步骤2的神经网络模型,从而得到两个电机的转速和时间进行定日镜运动控制。 步骤2:针对步骤1的训练数据进行神经网络训练; 步骤3:实际使用阶段,根据需要调节的角度,输入步骤2得到的神经网络模型,从而得到两个电机的转速和时间。

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