太陽(yáng)能應(yīng)用于多功能灑水車技術(shù)研究

戴麗君 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院

陳 宸 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京供電段

灑水車是保障城市清潔，控制大氣污染，提升空氣質(zhì)量的重要工具，傳統(tǒng)的灑水車使用燃油，在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)，也排放了相應(yīng)的汽車尾氣，且效率低、功能單一，存在缺憾。太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭，若能將其與灑水車有機(jī)結(jié)合，則可提供移動(dòng)的綠色動(dòng)力能源，完成灑水車各項(xiàng)功能需求。

本文就是基于光伏發(fā)電和混合動(dòng)力系統(tǒng)，把太陽(yáng)能技術(shù)與多功能灑水車有機(jī)結(jié)合與應(yīng)用，研發(fā)一種以太陽(yáng)能為動(dòng)力源的多功能灑水車，以智能充電系統(tǒng)，保障太陽(yáng)能充電的可靠性和可用性，同時(shí)利用太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（MPPT）提高光伏發(fā)電的利用率。

1 太陽(yáng)能灑水車總體構(gòu)思

灑水車是移動(dòng)的專用市政設(shè)施，其完成各項(xiàng)功能需要相應(yīng)的動(dòng)力能源供給，太陽(yáng)能發(fā)電是一種新興的可再生能源，將其應(yīng)用于灑水車的動(dòng)力，利用灑水車在室外工作、采集太陽(yáng)能非常便捷等特點(diǎn)，非常契合功能需求和政策要求。

1.1 多功能灑水車的構(gòu)成要素

圖1 多功能灑水車構(gòu)成要素示意圖

研發(fā)一種多功能灑水車其主要構(gòu)成如圖1所示。旋轉(zhuǎn)裝置上設(shè)有支撐柱，支撐柱上設(shè)有太陽(yáng)能電池板以及太陽(yáng)能跟蹤器，儲(chǔ)水箱后部還設(shè)有注水管和排污管，分流器分別與增壓泵和噴頭相連，灑水車的蓄電池組上設(shè)有逆變器，逆變器連接著駕駛室中的控制器，控制太陽(yáng)能跟蹤器，灑水車內(nèi)部設(shè)有水泵，水泵與分流器相連。噴頭是呈對(duì)稱狀設(shè)置在分流器兩側(cè)，灑水車前端設(shè)有灑水架，灑水車下端設(shè)有側(cè)噴頭，灑水車儲(chǔ)水箱后端還設(shè)有人工出水接口，注水管和排污管上分別設(shè)有第一閥門和第二閥門。

1.2 灑水車的功能

（1）具有一般灑水車的基本功能。如：地面灑水降溫，清掃地面，消防作業(yè)等。

（2）承擔(dān)熱水車的功能。本灑水車具有很好的保溫性和加熱能力。

（3）替代園林綠化車，澆溉綠地和小型園林場(chǎng)所。

（4）進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉。灑水車工作時(shí)，其他各處噴頭停止工作，僅通過(guò)灑水車尾部設(shè)的人工接口出水，將噴頭與人工接口連接，可方便進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉。

2 動(dòng)力及控制系統(tǒng)

本灑水車采用的是并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，油箱和蓄電池分別給傳動(dòng)裝置提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)灑水車?；旌蟿?dòng)力的部分電能是由太陽(yáng)光照射太陽(yáng)能電池板，產(chǎn)生光電效應(yīng)，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，利用轉(zhuǎn)換的電能或蓄電池內(nèi)的電能，帶動(dòng)電動(dòng)汽車所有設(shè)備正常運(yùn)行。

2.1 智能充電系統(tǒng)

2.1.1 太陽(yáng)能混合動(dòng)力汽車的電源系統(tǒng)

為了保證混合動(dòng)力汽車供電時(shí)的總線電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，通過(guò)三個(gè)步驟：（1）對(duì)當(dāng)前的電流進(jìn)行電壓采樣；（2）對(duì)誤差進(jìn)行放大；（3）通過(guò)滯環(huán)控制電路，保證總線電壓的穩(wěn)定范圍。即通過(guò)一個(gè)差分放大電路，得到蓄電池兩端的電壓，然后再與設(shè)定的蓄電池電壓進(jìn)行比較，最終輸出一個(gè)控制信號(hào)，控制充電電流的大小，最終保證蓄電池正常充電。如圖2所示。

圖2 蓄電池電壓檢測(cè)控制電路

2.1.2 智能充電系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)

將太陽(yáng)能電池板內(nèi)的電能通過(guò) 轉(zhuǎn)換電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，引入 升壓變換電路，它可以將輸入電壓升高，得到一個(gè)足以使負(fù)載運(yùn)行的輸出電壓。如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 MPPT-最大功率點(diǎn)跟蹤

將MPPT技術(shù)應(yīng)用在降壓控制器上，將太陽(yáng)能電池板電壓輸入到控制器，經(jīng)過(guò)降壓恒壓恒流模塊輸出給蓄電池，和車頂?shù)男D(zhuǎn)裝置配合使用，可使灑水車不管行駛到什么位置，太陽(yáng)能電池板都能面朝太陽(yáng)，便于更好接受太陽(yáng)能。

最大功率點(diǎn)跟蹤通過(guò)對(duì)電流、電壓、功率進(jìn)行干擾，從而使得當(dāng)前的工作點(diǎn)向最優(yōu)工作點(diǎn)靠攏，采用干擾觀察法，即用一個(gè)很小的電壓變化量對(duì)光伏電池工作電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)和擾動(dòng)，使其工作可以保持在最大功率點(diǎn)附近。太陽(yáng)能跟蹤器原理圖如圖4所示。

圖4 太陽(yáng)能跟蹤器原理圖

在對(duì)MPPT系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，首先確定出太陽(yáng)能電池工作在最大功率點(diǎn)，然后將太陽(yáng)能電池對(duì)蓄電池充電時(shí)的電流進(jìn)行必要的調(diào)整或改變，從而使得太陽(yáng)能電池的輸出電壓始終穩(wěn)定在上階段得到的輸出電壓。這樣的選擇對(duì)自行改變并調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池板當(dāng)前的工作電壓，保證工作在最大功率點(diǎn)處，同時(shí)大大提高了太陽(yáng)能電池板的發(fā)電功率。

2.3 光伏電池的選型

選擇光伏電池的類型，需要先計(jì)算出光伏電池陣列的輸出功率，其計(jì)算公式為

式中:

Kv--開(kāi)關(guān)損耗系數(shù)，取1.1

Kl--負(fù)載線路的損耗修正系數(shù)，取1.1

W--負(fù)載的日平均功率

ηw--蓄電池的DOD值取50%，ηw取95%

Hpv--選取的參考點(diǎn)的光照充足，取6 h

根據(jù)計(jì)算出的光伏陣列輸出的功率和罐體上能安裝的最大太陽(yáng)能電池板面積，選擇太陽(yáng)能電池板型號(hào)為CS6P20-250，輸出功率為250 W。根據(jù)罐體和太陽(yáng)能電池板尺寸，確定安裝的太陽(yáng)能電池板數(shù)量，如達(dá)不到負(fù)載的日平均功率，可設(shè)計(jì)外加蓄電池來(lái)提供額外電能供給負(fù)載。

2.4 蓄電池的選型和電池組的設(shè)計(jì)

蓄電池是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。根據(jù)各類電池的性能和環(huán)保性，選擇鎳氫電蓄電池?？紤]環(huán)境溫度、放電率、負(fù)載線路損耗、蓄電池放電轉(zhuǎn)換效率的影響，修正的蓄電池容量公式為：

式中：

C--修正后的蓄電池容量（A/H）

L--蓄電池容量的修正系數(shù)取1.1

d--自給天數(shù)，取3 d

β∧--修正后蓄電池的最大放電深度，取50%

ηA--蓄電池充放電轉(zhuǎn)換率，取90%

2.5 混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)

本灑水車采用的是并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，油箱和蓄電池分別給傳動(dòng)裝置提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)灑水車，其中油箱和內(nèi)燃機(jī)為液流連接，蓄電池與功率轉(zhuǎn)換器間為電力連接，功率轉(zhuǎn)換器與電動(dòng)機(jī)之間也是電力連接，其中蓄電池通過(guò)功率轉(zhuǎn)換器升壓給電動(dòng)機(jī)。如圖5所示。

圖5 并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

具體的混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

蓄電池通過(guò)逆變器將直流電變?yōu)榻涣麟娝徒o電動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)動(dòng)力分配裝置與電動(dòng)機(jī)連接，給車輪傳動(dòng)裝置提供動(dòng)力，也連接著減速器，提高安全性。

2.6 高壓安全系統(tǒng)

灑水車的混合動(dòng)力系統(tǒng)，采用的是第二代蓄電池組，蓄電池組電壓很高，可以達(dá)到274 V，所以為了安全考慮，對(duì)蓄電池組采取必要的措施：

一是所有的高壓電源線與車身及底盤進(jìn)行電氣隔離，金屬底盤不會(huì)對(duì)人造成漏電危險(xiǎn)；同時(shí)，蓄電池組中的高壓保險(xiǎn)絲進(jìn)行高壓保護(hù)。

二是選擇的蓄電池組為鎳氫電池組。

三是高壓蓄電池組兩端的電源連接線是被額定電壓為12 V的常開(kāi)繼電器控制，根據(jù)具體電壓控制導(dǎo)通與否。當(dāng)灑水車不工作時(shí)，常開(kāi)繼電器斷開(kāi)；當(dāng)灑水車正常工作時(shí)，車內(nèi)的短路故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)灑水車的高壓電氣系統(tǒng)對(duì)汽車底盤的泄漏狀況。發(fā)生故障時(shí)，儀表盤上的主警告燈亮起，同時(shí)LCD上的混合動(dòng)力報(bào)警燈亮；發(fā)生碰撞時(shí)，安全氣囊彈出保護(hù)人身安全的情況下，常開(kāi)繼電器將斷開(kāi)，阻斷蓄電池組電流的流動(dòng)。如圖7所示。

圖7 高壓安全系統(tǒng)

3 加熱系統(tǒng)

3.1 陶瓷電加熱管加熱

3.1.1 陶瓷電加熱管

陶瓷電加熱管是由較好的陶瓷做基體，由質(zhì)量較高的電熱絲串燒而成的。利用電熱絲流過(guò)電流發(fā)熱的原理，其電熱轉(zhuǎn)化效率較高，溫度升高快，而且耐腐蝕、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性能較好。

3.1.2 陶瓷電加熱管研制及分析

模擬實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示。

圖8 模擬實(shí)驗(yàn)裝置圖

模擬實(shí)驗(yàn)選擇的陶瓷電加熱管長(zhǎng)度為200 mm，內(nèi)徑為65 mm，外徑為72 mm。陶瓷管采取豎立放置，上端為進(jìn)油口，下端為出油口，其兩側(cè)接有接線端，由絕緣導(dǎo)線構(gòu)成回路，并且通以工頻交流電，隔離變壓器的輸出電壓可根據(jù)溫度由調(diào)壓器選調(diào)。陶瓷管上下端都有水溫表以及數(shù)字溫度顯示儀來(lái)顯示其溫度。入口經(jīng)渦輪流量變送器到陶瓷管，或經(jīng)傳感器到達(dá)陶瓷管。

由實(shí)驗(yàn)證明，出水的溫度隨著加熱功率的增加而升高，進(jìn)水流量有所增大時(shí)，出水溫度的升高量有所減小。陶瓷管的加熱效果能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，并且具有較高的熱效率。

3.2 智能控制系統(tǒng)

本灑水車是一款以89C51F310為核心芯片，具有水溫、水位顯示、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)電加熱等溫控系統(tǒng)。

首先通過(guò)按鍵設(shè)置水箱的溫度，對(duì)水溫自動(dòng)檢測(cè)，如果高于設(shè)置溫度且水位未達(dá)到最高位時(shí)，控制系統(tǒng)打開(kāi)電磁閥進(jìn)行上水，同時(shí)點(diǎn)亮上水指示燈，直到水箱內(nèi)水溫與設(shè)置溫度一致時(shí)停止上水；如果低于設(shè)置溫度時(shí)，系統(tǒng)控制電阻絲對(duì)水箱內(nèi)的水進(jìn)行加熱，同時(shí)點(diǎn)亮加熱指示燈。系統(tǒng)通過(guò)五個(gè)指示燈表示水箱內(nèi)水的位置，當(dāng)?shù)陀谧畹退换蚋哂谧罡咚粫r(shí)，會(huì)通過(guò)指示燈進(jìn)行報(bào)警。具體的水溫檢測(cè)電路如圖9所示。

圖9 水溫檢測(cè)電路

水溫檢測(cè)電路采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，采用單總線技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)：可以減少外界的干擾，還可提高測(cè)量精確度，測(cè)量范圍廣，可以通過(guò)程序?qū)⒅O(shè)定為9～12位的分辨率，并且它的精確度可以達(dá)到±0.5℃，同時(shí)還能將需要測(cè)量的溫度轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)處理。當(dāng)出口加熱管溫度低于該裝置設(shè)定的溫度時(shí)，通過(guò)繼電器開(kāi)關(guān)使電阻絲加熱，使出口溫度達(dá)到裝置的設(shè)定溫度。

水位檢測(cè)及預(yù)警電路能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)水位，精確度高，智能化操作方便快捷，當(dāng)水箱內(nèi)的水低于最低水位或高于最高水位時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。具體檢測(cè)及預(yù)警電路如圖10所示。

圖10 灑水車的水位檢測(cè)電路

本灑水車的水位傳感器使用5個(gè)銅鉚釘作為它的電極，水位傳感器的最下部電極作為它們的公共端，其它表示它們自身的水位高低，各個(gè)電極之間可以看成一個(gè)開(kāi)關(guān)。要判斷水箱中水位的大概位置，只需當(dāng)水箱注入水時(shí)，水中的離子發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)電，使得開(kāi)關(guān)接通，這時(shí)直流電壓通過(guò)電阻以及接通的開(kāi)關(guān)，把信號(hào)傳送到裝置的單片機(jī)的端口，就可得出結(jié)論；同時(shí)可由圖中四個(gè)LED燈來(lái)顯示水箱中水位的位置，該裝置也可作為報(bào)警裝置，當(dāng)水箱中水位低于最低水位時(shí)，紅色LED燈會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

4 結(jié)論及展望

本文研究了太陽(yáng)能與多功能灑水車的結(jié)合與應(yīng)用技術(shù)，提出了一款新型的多功能太陽(yáng)能灑水車設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用的起步階段，灑水車是混合動(dòng)力系統(tǒng)，或許主要的動(dòng)力源仍是內(nèi)燃機(jī)，蓄電池和太陽(yáng)能電池板提供的電能作為輔助能源，主要還是供給灑水車內(nèi)部設(shè)備的使用?？紤]到灑水車日常工作時(shí)間較短，利用可插式充電模式可有效彌補(bǔ)能源消耗，在不工作時(shí)給蓄電池充電；同時(shí)，結(jié)合灑水車體量和形態(tài)特點(diǎn)，充分利用其有效面積，盡量多安裝光伏板。事實(shí)上，在具體應(yīng)用中，還可考慮利用灑水車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生能量對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。當(dāng)前，太陽(yáng)能應(yīng)用和控制技術(shù)不斷進(jìn)步，利用效率逐步提升，太陽(yáng)能的應(yīng)用成本也逐步降低，相信本文研究的技術(shù)和成果一定有非常廣闊的應(yīng)用空間和推廣價(jià)值。