戴麗君 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院

陳 宸 中國鐵路上海局集團(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，則可提供移動的綠色動力能源，完成灑水車各項(xiàng)功能需求。

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

1 太陽能灑水車總體構(gòu)思

灑水車是移動的專用市政設(shè)施，其完成各項(xiàng)功能需要相應(yīng)的動力能源供給，太陽能發(fā)電是一種新興的可再生能源，將其應(yīng)用于灑水車的動力，利用灑水車在室外工作、采集太陽能非常便捷等特點(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)有太陽能電池板以及太陽能跟蹤器，儲水箱后部還設(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 動力及控制系統(tǒng)

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

2.1 智能充電系統(tǒng)

2.1.1 太陽能混合動力汽車的電源系統(tǒng)

為了保證混合動力汽車供電時(shí)的總線電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，通過三個步驟：（1）對當(dāng)前的電流進(jìn)行電壓采樣；（2）對誤差進(jìn)行放大；（3）通過滯環(huán)控制電路，保證總線電壓的穩(wěn)定范圍。即通過一個差分放大電路，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，最終輸出一個控制信號，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 蓄電池電壓檢測控制電路

2.1.2 智能充電系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)

將太陽能電池板內(nèi)的電能通過 轉(zhuǎn)換電路將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，引入 升壓變換電路，它可以將輸入電壓升高，得到一個足以使負(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，將太陽能電池板電壓輸入到控制器，經(jīng)過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，太陽能電池板都能面朝太陽，便于更好接受太陽能。

最大功率點(diǎn)跟蹤通過對電流、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，即用一個很小的電壓變化量對光伏電池工作電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)和擾動，使其工作可以保持在最大功率點(diǎn)附近。太陽能跟蹤器原理圖如圖4所示。

圖4 太陽能跟蹤器原理圖

在對MPPT系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，首先確定出太陽能電池工作在最大功率點(diǎn)，然后將太陽能電池對蓄電池充電時(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。這樣的選擇對自行改變并調(diào)節(jié)太陽能電池板當(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能電池板面積，選擇太陽能電池板型號為CS6P20-250，輸出功率為250 W。根據(jù)罐體和太陽能電池板尺寸，確定安裝的太陽能電池板數(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 混合動力驅(qū)動

本灑水車采用的是并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，油箱和蓄電池分別給傳動裝置提供動力，驅(qū)動灑水車，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)換器與電動機(jī)之間也是電力連接，其中蓄電池通過功率轉(zhuǎn)換器升壓給電動機(jī)。如圖5所示。

圖5 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

具體的混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

蓄電池通過逆變器將直流電變?yōu)榻涣麟娝徒o電動機(jī)，發(fā)動機(jī)通過動力分配裝置與電動機(jī)連接，給車輪傳動裝置提供動力，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，金屬底盤不會對人造成漏電危險(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)，常開繼電器斷開；當(dāng)灑水車正常工作時(shí)，車內(nèi)的短路故障監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測灑水車的高壓電氣系統(tǒng)對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，常開繼電器將斷開，阻斷蓄電池組電流的流動。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、自動報(bào)警、自動電加熱等溫控系統(tǒng)。

首先通過按鍵設(shè)置水箱的溫度，對水溫自動檢測，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)通過五個指示燈表示水箱內(nèi)水的位置，當(dāng)?shù)陀谧畹退换蚋哂谧罡咚粫r(shí)，會通過指示燈進(jìn)行報(bào)警。具體的水溫檢測電路如圖9所示。

圖9 水溫檢測電路

水溫檢測電路采用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，還可提高測量精確度，測量范圍廣，可以通過程序?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)還能將需要測量的溫度轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號給單片機(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)，通過繼電器開關(guān)使電阻絲加熱，使出口溫度達(dá)到裝置的設(shè)定溫度。

水位檢測及預(yù)警電路能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測水位，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)都會發(fā)出報(bào)警信號。具體檢測及預(yù)警電路如圖10所示。

圖10 灑水車的水位檢測電路

本灑水車的水位傳感器使用5個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，各個電極之間可以看成一個開關(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，使得開關(guān)接通，這時(shí)直流電壓通過電阻以及接通的開關(guān)，把信號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LED燈來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燈會發(fā)出報(bào)警信號。

4 結(jié)論及展望

本文研究了太陽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，灑水車是混合動力系統(tǒng)，或許主要的動力源仍是內(nèi)燃機(jī)，蓄電池和太陽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時(shí)產(chǎn)生的再生能量對蓄電池進(jìn)行充電。當(dāng)前，太陽能應(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。