基于太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的TYB—A型標(biāo)志車的技術(shù)改造

【摘要】為解決TYB-A型標(biāo)志車故障率高、安全性差、經(jīng)濟(jì)性差的問題，通過分析法和文獻(xiàn)研究法，提出太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于標(biāo)志車，并對(duì)該系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)組成、組件測算選配以及安裝調(diào)試進(jìn)行了詳細(xì)闡述。實(shí)踐證明，技改后標(biāo)志車供電裝置的可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及操控簡易性得到了極大改善，可供相關(guān)施工企業(yè)借鑒技改之用。

【關(guān)鍵詞】標(biāo)志車;供電裝置;太陽能光伏發(fā)電技術(shù);技術(shù)改造

引言

隨著高速公路建設(shè)的迅速發(fā)展，高速公路保有量逐年增加，高速公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)量也日益增多。我國交通部1991年2月發(fā)布了《國省干線GBM工程實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)》，明確規(guī)定在高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)時(shí)，為滿足公路交通管制的需求，必須配置標(biāo)志車[1]。標(biāo)志車，是一種道路施工或其他原因造成道路封閉而提醒或指示車輛駕駛?cè)藛T改變行車行為的交通安全警示設(shè)施。筆者單位所使用的TYB-A型拖掛式標(biāo)志車，是帶有電源和可變信號(hào)標(biāo)志牌的單軸掛車，經(jīng)多年在道路施工中的使用，其所存在的問題也日益明顯，主要體現(xiàn)在故障率高、經(jīng)濟(jì)及安全性差等方面。這些問題，不僅增加了設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)的成本，更為重要的是，因設(shè)備故障而導(dǎo)致的道路交通事故，造成了財(cái)產(chǎn)損失和人身傷害。故此，有必要采取相關(guān)措施，改善或解決上述問題。

1.TYB-A型標(biāo)志車的簡介

1.1 結(jié)構(gòu)功能

TYB-A型標(biāo)志車主要由底盤、供電裝置、電控裝置、信號(hào)指示裝置以及升降裝置五部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。底盤，由車架1、車輪2以及支撐腿5構(gòu)成，主要起牽引、行走和承載上裝的作用。供電裝置和電控裝置，位于底盤左上方的控制箱3內(nèi)，主要由發(fā)電機(jī)組、變壓器、蓄電池和控制面板等組成，用于提供動(dòng)力和控制負(fù)載工況。信號(hào)指示裝置，位于底盤右上方，主要由標(biāo)志牌4（包括限速標(biāo)志牌41和燈光矩陣牌42）及警燈8等組成，用于提醒或指示駕駛員注意減速、變道或禁行等。升降裝置，位于底盤中上方，主要由托架6和電動(dòng)拉桿7等組成，利用直流電機(jī)正、反轉(zhuǎn)工作原理控制拉桿的伸縮，從而達(dá)到燈光矩陣牌42升降（平躺和豎直）目的。

圖1 TYB-A型標(biāo)志車的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

標(biāo)志車所裝備小功率發(fā)電機(jī)組，產(chǎn)生220V交流電，一方面作為備用電源（220V交流輸出功能），另一方面經(jīng)變壓器變壓整流后輸出12V直流電壓，供蓄電池充電之用;蓄電池輸出電流至控制面板，通過選擇控制器面板上的按鈕，達(dá)到電源通斷、指示標(biāo)志變換、閃爍頻率切換以及燈光矩陣牌升降等目的。

2.TYB-A型標(biāo)志車的問題剖析

通過對(duì)標(biāo)志車結(jié)構(gòu)功能和工作原理的介紹，并結(jié)合其多年來在道路施工中的使用，筆者對(duì)標(biāo)志車所存在的問題歸納為如下三個(gè)方面：

第一，故障率高。標(biāo)志車已進(jìn)入損耗故障期，零部件老化、磨損以及疲勞現(xiàn)象頻發(fā)，主要表現(xiàn)在供電裝置。

第二，安全性差。汽油為易燃易爆品，如儲(chǔ)運(yùn)、加注不當(dāng)，極易應(yīng)發(fā)火災(zāi);另外，在夜間，因標(biāo)志車故障導(dǎo)致可變信號(hào)指示失效時(shí)，極易發(fā)生道路交通事故。

第三，經(jīng)濟(jì)性差。燃油消耗量大，使用成本高;故障頻發(fā)，維護(hù)成本增加。

在上述的三個(gè)問題中，第一個(gè)問題是關(guān)鍵性的問題。如果解決了供電裝置的問題，第二、三這兩個(gè)問題也將迎刃而解。

3.技改思路的提出

通過對(duì)標(biāo)志車所存在問題的剖析，考慮到標(biāo)志車底盤、電控裝置、信號(hào)指示裝置以及升降裝置性能良好的現(xiàn)狀，本著“合理利用，優(yōu)化組合，節(jié)約成本”的原則，將此次技改重點(diǎn)鎖定為“供電裝置”。

結(jié)合多年工作經(jīng)驗(yàn)及對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)的文獻(xiàn)研究，筆者提出了“利用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)作為標(biāo)志車的供電裝置，去除原車220V輸出功能（該功能在實(shí)際施工中極少使用，且為輔助功能，故考慮刪減）”的技改思路。產(chǎn)生此種想法的緣由為，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)已較為成熟，基于該技術(shù)的發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，節(jié)能環(huán)保，管理簡單，自動(dòng)化程度高，長期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，且具有無污染、無噪音、維護(hù)簡單等特點(diǎn)[2]。

4.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要本著合理性、實(shí)用性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性的原則，做到既能保證光伏系統(tǒng)的長期可靠運(yùn)行，充分滿足負(fù)載的用電需要，同時(shí)又能使系統(tǒng)的配置最合理，達(dá)到最好的經(jīng)濟(jì)效益。

在設(shè)計(jì)過程中，所牽涉的因素很多，但因素有主次之分，應(yīng)忽略一些次要因素，以便設(shè)計(jì)時(shí)能把握重點(diǎn)。因此，在抓住影響太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要因素后，如標(biāo)志車的負(fù)載特性（直流負(fù)載）、工作時(shí)間（連續(xù)工作時(shí)間長，耗電量大）以及作業(yè)方式（野外流動(dòng)式作業(yè)）等，筆者認(rèn)為，選擇“有蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)”作為標(biāo)志車的供電裝置較為適宜。

4.1 系統(tǒng)工作原理及組成

有蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理比較簡單。有陽光時(shí)，太陽能光電板直接將光能轉(zhuǎn)換為電能，并通過充放電控制器把太陽能光電板產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存于蓄電池中。當(dāng)直流負(fù)載用電時(shí)，蓄電池中的電能通過充放電控制器合理分配至各個(gè)直流負(fù)載上。該系統(tǒng)的主要由太陽能光電板、充放電控制器、蓄電池、直流負(fù)載以及附屬直流。配電裝置等組成，如圖2所示。

圖2 有蓄電池的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 系統(tǒng)組件選配

此系統(tǒng)組件選配主要依據(jù)標(biāo)志車的負(fù)載特性、工作時(shí)間、作業(yè)方式以及使用地氣候條件等對(duì)蓄電池、太陽能光電板以及充放電控制器的有關(guān)參量進(jìn)行測算。為了使該系統(tǒng)能夠給負(fù)載提供足夠的電源，而又不至于增加成本，就要合理選擇系統(tǒng)組件，以達(dá)到優(yōu)化配置的目的，該系統(tǒng)各組件選配方法如下。

4.2.1 負(fù)載選型及功耗測算

（1）負(fù)載選型。該系統(tǒng)的用電負(fù)載主要是LED燈光矩陣牌、LED警示燈和電動(dòng)推拉桿，皆為直流型負(fù)載，詳見表1。LED燈光矩陣牌用于指示、禁止或限制車輛或行人交通行為，LED警示燈用于警告車輛或行人注意危險(xiǎn)地點(diǎn)，電動(dòng)推拉桿作為LED燈光矩陣牌升降之用。通常情況下，用電負(fù)載的工作時(shí)間段為當(dāng)日18：00～次日6：00。因直流配件箱、充放電控制器的自耗電小，故耗電量忽略不計(jì)。

（2）功耗測算。在該系統(tǒng)中，各用電負(fù)載的額定功率與日耗電用時(shí)相乘后累加值，即為該系統(tǒng)負(fù)載日耗電總量，計(jì)算公式如下：

式中，Qi：表示所有用電負(fù)載日耗電總量，單位為W·I;

pi：表示各用電負(fù)載的額定功率，單位為W;

ti：表示各用電負(fù)載日耗電用時(shí)，單位為。

則所有用電負(fù)載日耗電總量計(jì)算如下：

Qi=20W×4I+0.5W×6I×2+120W×0.05I=92W·I

4.2.2 蓄電池容量測算與選型

蓄電池，是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能裝置，其作用是將太陽能光電板輸出的電能以化學(xué)能的形式存在起來，按需輸出于負(fù)載使用。與太陽能光電板配套的蓄電池，通常工作在浮充狀態(tài)下，其電壓隨著太陽能光電板的發(fā)電量和負(fù)載的用電量變化而變化?？紤]到蓄電池的供電能力受環(huán)境溫度、放電電流以及夜間或陰雨天向負(fù)載連續(xù)供電等有關(guān)因素的影響，要求其電容比負(fù)載所需電量大得多，且壽命長、易維護(hù)。

（1）容量測算。蓄電池儲(chǔ)備容量的大小主要取決于用電負(fù)載的耗電情況，此外，還與蓄電池放電深度、環(huán)境溫度等有關(guān)。一般而言，蓄電池容量計(jì)算公式如下[3]：

式中，C：表示蓄電池容量，單位為A·I;

K1：表示安全系數(shù)，通常取1.1～1.4，此處取最大值;

Qi：表示所用用電負(fù)載的總用電量，單位為W·I;

N：表示最長無日照用電天數(shù);

U：表示系統(tǒng)電壓，根據(jù)負(fù)載類型確定的系統(tǒng)電壓（即蓄電池電壓）;

CC：表示蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75，堿性鎳鎘蓄電池取0.85，本系統(tǒng)選配鉛酸蓄電池，應(yīng)取0.75;

T：表示溫度修正系數(shù)，一般在0℃以上取1，-10℃以上取1.1，-10℃以下取1.2;標(biāo)志車使用地主要為江蘇地區(qū)，使用期約為3～11月份，故此處取值為1。

根據(jù)用電負(fù)載類型，確定系統(tǒng)電壓U為DC12V;鑒于蓄電池容量設(shè)計(jì)需達(dá)到最長無日照7天條件下仍能正常工作的考慮，N取值為7;則蓄電池容量計(jì)算如下：

（2）蓄電池選型。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇型號(hào)為6-FMJ-100（容量為100A·I/12V）膠體蓄電池。

4.2.3 太陽能光電板功率測算與選型

太陽能光電板，是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件，其作用是將太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為電能。目前，國內(nèi)市場上晶體硅太陽能光電板所占比重較大（約九成以上），其基本類型有單晶體硅和多晶體硅，因單晶體硅太陽能光電板的性價(jià)比較高而被廣泛應(yīng)用。

（1）功率測算。太陽能光電板功率的大小主要取決于用電負(fù)載耗電、使用地氣候條件、系統(tǒng)損耗等。一般而言，太陽能光電板功率計(jì)算公式如下：

式中，Pm：表示太陽能光電板的峰值功率，單位為W;

K2：表示損耗系數(shù)，與當(dāng)?shù)匚廴境潭取⒕€路損耗以及光電板安裝角度等有關(guān)，通常取1.6～2.0，此處取最大值;

Qi：表示所有用電負(fù)載日耗電總量，單位為W·I;

Tm：表示太陽能光電板的平均峰值日照時(shí)數(shù)，可根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供的數(shù)據(jù)而確定，單位為h;基于使用地點(diǎn)為江蘇地區(qū)，則平均峰值日照時(shí)數(shù)為3.9467046 h（參照南京），此處取值為3.95。

則太陽能光電板的功率計(jì)算如下：

（2）太陽能光電板選型。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇45C型單晶硅太陽能光電板，其主要參數(shù)如下：峰值功率Pm為45W，峰值電壓為Vm為17.2V，峰值電流Im為2.57A，開路電壓VCC為21.6V，短路電流ISC為2.76A。

4.2.4 充放電控制器參數(shù)測算與選型

充放電控制器，是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的重要部件，其作用是使太陽能光電板和蓄電池高效、安全、可靠地工作，以獲得最高效率，并延長蓄電池使用壽命。結(jié)合負(fù)載特性，充放電控制器對(duì)太陽能光電板的輸出電流加以管控，對(duì)蓄電池充放電條件加以限制，防止蓄電池反充、過充以及過放現(xiàn)象的發(fā)生。

（1）最大充電電流，是指控制器所能控制的太陽能光電板給蓄電池充電時(shí)標(biāo)準(zhǔn)充電電流，其計(jì)算公式如下：

IFSC=K3*ISC

式中，IFSC ：表示最大充電電流，單位為A;

K3：表示安全系數(shù)，通常取1.25;

ISC：表示太陽能光電板短路電流，單位為A。

則控制器所能控制的最大充電電流計(jì)算如下：

IFSC=1.25×2.76A=3.44A

（2）最大負(fù)載電流，是指負(fù)載工作時(shí)，控制器所能控制的負(fù)載回路標(biāo)準(zhǔn)電流，其計(jì)算公式如下：

式中，I：表示最大負(fù)載電流，單位為A;

K3：表示安全系數(shù)，通常取1.25;

PL：表示各用電負(fù)載的額定功率之和，單位為W;

K4：表示損耗系數(shù)，通常取0.8;

U：表示控制器工作電壓（即蓄電池電壓）;

則控制器所能控制的最大負(fù)載電流計(jì)算如下：

（3）控制器選型。根據(jù)最大充電電流與最大負(fù)載電流的計(jì)算結(jié)果，將控制器的充放電電流設(shè)計(jì)為20A比較適合，故選擇型號(hào)為20A 的控制器，其主要參數(shù)如下：額定充電電流20A，額定負(fù)載電流20A，工作電壓12V，空載損耗（自耗電流）≤7mA。

4.3 系統(tǒng)安裝與調(diào)試

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是涉及多種專業(yè)領(lǐng)域的高科技發(fā)電系統(tǒng)，不僅要有合理可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)化設(shè)計(jì)，選用質(zhì)量高、穩(wěn)定好的系統(tǒng)組件，還必須有可靠的安裝與調(diào)試[4]。

在安裝方面，主要包含兩部分，一部分為太陽能光電板在控制箱3上方的安裝及直流配電柜、充放電控制器、蓄電池等電器設(shè)備在控制箱3內(nèi)的安裝;另一部分為各系統(tǒng)組件之間的連接線路鋪設(shè)施工。在調(diào)試方面，常規(guī)的測試項(xiàng)目包括太陽能光電板測試、控制器性能測試以及系統(tǒng)的絕緣電阻測試、絕緣耐壓測試、接地電阻測試等，可利用專業(yè)書籍及專用工具便可完成調(diào)試工作。

在安裝調(diào)試結(jié)束后，將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)接入整車系統(tǒng)，進(jìn)行“實(shí)況負(fù)載耗電”測試，實(shí)測用電負(fù)載連續(xù)正常工作時(shí)間約為8.5天，符合設(shè)計(jì)值要求（最長無日照用電天數(shù)為7天）。

5.技改后的標(biāo)志車在施工中的應(yīng)用

在整車測試完畢后，歷經(jīng)4個(gè)月時(shí)間，配套有太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的標(biāo)志車在錫張、滬寧、寧常鎮(zhèn)溧、京滬、寧杭等高速公路養(yǎng)護(hù)工程中得以應(yīng)用。總體而言，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，各部位工況穩(wěn)定，無故障出現(xiàn)，未進(jìn)行維護(hù)，無運(yùn)行費(fèi)用投入，未出現(xiàn)安全隱患，操控簡易而方便。

6.結(jié)語

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，是一種最具有可持續(xù)發(fā)展的可再生能源發(fā)電技術(shù)，對(duì)于節(jié)約常規(guī)能源、保護(hù)自然環(huán)境以及促進(jìn)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展都有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。此次，將這項(xiàng)高新技術(shù)嫁接至老款標(biāo)致車中，充分體現(xiàn)了“合理利用，優(yōu)化組合，節(jié)約成本”的原則，優(yōu)化了企業(yè)的技術(shù)裝備，提高了設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性，減少了設(shè)備運(yùn)行成本，延長了設(shè)備的使用周期。通過施工應(yīng)用這一環(huán)節(jié)，基于太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的標(biāo)致車改造的可行性得到了進(jìn)一步驗(yàn)證，可作為擁有該類型標(biāo)致車的相關(guān)施工企業(yè)借鑒技改之用。

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