一種實(shí)用的混合式供能灑水車的設(shè)計(jì)

鄒雪 王華云 楊小五 胥大偉 張向晨

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種既可直接使用太陽能，又可利用太陽能及外接電源給蓄電池充電的混合供能式灑水車，重點(diǎn)介紹了該灑水車各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，包括太陽能轉(zhuǎn)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電路布置及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電池組參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算。

關(guān)鍵詞：太陽能；灑水車；節(jié)能

中圖分類號：U469.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1003-5168（2018）17-0128-03

A Practical Hybrid Power Sprinklers Design

ZOU Xue WANG Huayun YANG Xiaowu XU Dawei ZHANG Xiangchen

Abstract： This paper designed the hybrid sprinkler which could use both the solar energy and the external power supply， and introduced the design ideas of the various systems of the sprinkler， including the design of the solar energy conversion control system， the design of the circuit layout and its control system， and the design and calculation of the battery parameters.

Keywords： solar energy；sprinkler；energy conservation

灑水車具有壓塵灑水、護(hù)欄沖洗和運(yùn)水等功能。現(xiàn)有的灑水車體型一般較大，且多由常規(guī)能源提供動(dòng)能，即主要以柴油、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)或高能蓄電池為動(dòng)力來源的常規(guī)能源汽車。在運(yùn)行過程中需要消耗大量的柴油、汽油，不僅尾氣排放嚴(yán)重，而且消耗的常規(guī)能源與水資源也相當(dāng)嚴(yán)重，給人們的生活、環(huán)境保護(hù)和能源利用帶來了極大挑戰(zhàn)。為此，筆者設(shè)計(jì)了一種既可直接使用太陽能，又可利用外接電源充電的混合供能式灑水車，不使用常規(guī)燃油，進(jìn)而避免了尾氣的排放，不僅節(jié)能，而且環(huán)保。

1 混合式供能灑水車的總體設(shè)計(jì)思路

近年來，國際燃油價(jià)格不斷攀升，全球氣候問題日漸嚴(yán)重，各方面因素迫使人們尋求一種更加節(jié)能環(huán)保的驅(qū)動(dòng)方式。在現(xiàn)有新能源汽車類型中，電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)已經(jīng)取得突破性進(jìn)展，但電池技術(shù)還未實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展，因而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的市場化仍然需要很長時(shí)間的努力。為了最大限度地利用太陽能，減少化石能源的使用，筆者設(shè)計(jì)了一種混合供能式灑水車，車體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該灑水車?yán)锰柲茈姵匕褰邮仗柟猓瑢⒐饽苻D(zhuǎn)換為電能。電能通過導(dǎo)線首先傳輸?shù)教柲芸刂破魃希缓筇柲芸刂破鞴ぷ魈幚硖柲茈姵匕鍌魉瓦^來的電能，一方面將其儲(chǔ)存在蓄電池中，另一方面又可以直接將電能輸送整個(gè)車輛的電路系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)整個(gè)汽車的運(yùn)行。

注：1.儲(chǔ)能蓄電池；2.灑水車本體；3.太陽能轉(zhuǎn)化控制系統(tǒng)；4.太陽能電池板；5.太陽能控制器；6.太陽能電池板安裝機(jī)構(gòu)；7.水箱；8.駕駛室；9.立柱；10.平板安裝架；11.調(diào)整組件；12.旋轉(zhuǎn)臺(tái)；13.連接鉸桿；14.液壓推桿組；15.外部充電接口。

該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是太陽能轉(zhuǎn)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，電路布置及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，電池組參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算。

2 太陽能轉(zhuǎn)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了在使用過程中能最大限度地利用太陽能，以降低對外部充電方式的依賴，達(dá)到最大化地使用清潔能源的目的，設(shè)計(jì)了太陽能轉(zhuǎn)化控制系統(tǒng)，包括太陽能電池板、太陽能控制器和太陽能電池板安裝機(jī)構(gòu)。太陽能電池板通過安裝機(jī)構(gòu)朝向可自由變化地安裝在灑水車水箱頂部，安裝機(jī)構(gòu)的信號控制線與太陽能控制器連接，可在駕駛室通過太陽能控制器調(diào)節(jié)太陽能電池板的朝向。旋轉(zhuǎn)臺(tái)可根據(jù)日照的強(qiáng)弱和方向調(diào)整支架上太陽能電池板的高度和角度，從而實(shí)現(xiàn)以太陽能和電能為動(dòng)力源的供能方式。

為了既滿足結(jié)構(gòu)的簡單化，又滿足太陽能電池板的朝向可自由變化的要求，設(shè)計(jì)了太陽能電池板安裝機(jī)構(gòu)，包括立柱、平板安裝架和調(diào)整組件（見圖2）。太陽能電池板用立柱支撐在灑水車水箱頂部，通過太陽能控制器控制調(diào)整組件自由調(diào)整太陽能電池板的朝向。此時(shí)，調(diào)整組件優(yōu)選結(jié)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)臺(tái)、聯(lián)接鉸桿和液壓推桿組。平板安裝架通過連接鉸桿和液壓推桿組沿前后左右方向可調(diào)整地支撐在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)臺(tái)可繞自身中心線旋轉(zhuǎn)地安裝在立柱上。

注：4.太陽能電池板；6.太陽能電池板安裝機(jī)構(gòu)；9.立柱；10.平板安裝架；11.調(diào)整組件；12.旋轉(zhuǎn)臺(tái)；13.連接鉸桿；14.液壓推桿組。

3 電路布置及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

智能型太陽能充放電控制器可以控制太陽能的負(fù)載接入，實(shí)現(xiàn)在太陽光下由太陽能電池板直接驅(qū)動(dòng)汽車行駛或者給蓄電池充電。在沒有光照的情況下，太陽能控制器又轉(zhuǎn)為利用蓄電池驅(qū)動(dòng)汽車行駛，實(shí)現(xiàn)最大化地利用能源，給車輛提供更強(qiáng)大的動(dòng)力。

太陽能電池板線路與太陽能控制器相連，控制器又與蓄電池相連，當(dāng)灑水車處充電狀態(tài)時(shí)，控制器紅燈亮，當(dāng)灑水車處于用電狀態(tài)時(shí)，控制器綠燈亮，這樣使太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存，保證了灑水車的供能問題。太陽能電池板安裝在可360°旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)支架上，駕駛員可根據(jù)太陽光的強(qiáng)弱調(diào)整旋轉(zhuǎn)臺(tái)支架的角度與高度，這樣充分增加了太陽能電池板的受光時(shí)長，也提高了太陽能的利用率，使灑水車的工作效率保持較高狀態(tài)。當(dāng)太陽光不充足時(shí)，太陽能電池板無法轉(zhuǎn)換充足的太陽能為電能，這時(shí)，用蓄電池為灑水車供電，以保障灑水車正常運(yùn)行。灑水車的電路布置見圖3。

4 電池組參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算

該設(shè)計(jì)既能以太陽能組件提供動(dòng)力，又能以儲(chǔ)能蓄電池作為整個(gè)灑水車的動(dòng)力裝置。

以表1中所列實(shí)體車型為例，在灑水車箱體頂部鋪設(shè)一層太陽能電池板（見表2），所能鋪設(shè)的電池板個(gè)數(shù)為140個(gè)，將所有的電池板串接，則太陽能電池板的總功率為7 000W。根據(jù)楊軍[1]關(guān)于太陽能車的光伏發(fā)電MPPT算法及廠家提供的太陽能電池板參數(shù)，電池板的轉(zhuǎn)換效率為22%，則電池板實(shí)際功率為1 540W，能直接驅(qū)動(dòng)灑水車工作。

太陽能電池板組件日發(fā)電量計(jì)算方法如式（1）和式（2）[2]：

[Qp=Ioc×H×kop×Cz] （1）

[H=Ht×2.778/10 000] （2）

式中，[Qp]為太陽能電池組件日發(fā)電量（Ah）；[Ioc]為太陽能電池板組件最佳工作電流（A）；[H]為標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下平均日輻射時(shí)數(shù)（h）；[kop]為傾斜修正系數(shù)；[Cz]為修正系數(shù)（主要為組合、灰塵、充電效率等的損失，一般為0.8）；[Ht]為太陽能日輻射量[kJ/（m2·天）]。

攀枝花市是我國有名的“陽光花城”，太陽能資源十分豐富，年輻射量是四川太陽能輻射的高值區(qū)。攀枝花的輻射參數(shù)[Ht]為5 600～6 300MJ/（m2·年），年日照時(shí)數(shù)為2 300～2 700h[3]。即每天攀枝花的輻射參數(shù)15 342～17 260kJ/（m2·天）；[kop]為0.956 2。根據(jù)式（1）和式（2）可計(jì)算出，太陽能電池組件日發(fā)電量為1 141.09～1 283.75Ah，每天可為蓄電池充電251.04～282.43Ah，可得到在太陽輻射達(dá)到攀枝花的年平均值時(shí)蓄電池充滿電所需時(shí)間為9～11h，與外接電源充電聯(lián)用，可滿足正常使用。

5 結(jié)論

這種混合式供能灑水車結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，所用能源來自太陽能或可用外接電源充電的電能，既能滿足壓塵灑水、高（低）位噴灑和護(hù)欄沖洗等功能，還能滿足運(yùn)水、排水、應(yīng)急消防等功能，在節(jié)能減排的同時(shí)提高了灑水車的工作效率，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊軍.太陽能車光伏發(fā)電MPPT算法及控制研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2013.

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