一种实用的混合式供能洒水车的设计

邹雪 王华云 杨小五 胥大伟 张向晨

摘 要：本文设计了一种既可直接使用太阳能，又可利用太阳能及外接电源给蓄电池充电的混合供能式洒水车，重点介绍了该洒水车各系统的设计思路，包括太阳能转化控制系统的设计、电路布置及其控制系统的设计、电池组参数的设计计算。

关键词：太阳能；洒水车；节能

中图分类号：U469.6 文献标识码：A 文章编号：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

洒水车具有压尘洒水、护栏冲洗和运水等功能。现有的洒水车体型一般较大，且多由常规能源提供动能，即主要以柴油、汽油发动机或高能蓄电池为动力来源的常规能源汽车。在运行过程中需要消耗大量的柴油、汽油，不仅尾气排放严重，而且消耗的常规能源与水资源也相当严重，给人们的生活、环境保护和能源利用带来了极大挑战。为此，笔者设计了一种既可直接使用太阳能，又可利用外接电源充电的混合供能式洒水车，不使用常规燃油，进而避免了尾气的排放，不仅节能，而且环保。

1 混合式供能洒水车的总体设计思路

近年来，国际燃油价格不断攀升，全球气候问题日渐严重，各方面因素迫使人们寻求一种更加节能环保的驱动方式。在现有新能源汽车类型中，电动汽车的驱动系统和控制系统已经取得突破性进展，但电池技术还未实现进一步发展，因而实现电动汽车的市场化仍然需要很长时间的努力。为了最大限度地利用太阳能，减少化石能源的使用，笔者设计了一种混合供能式洒水车，车体结构如图1所示。该洒水车利用太阳能电池板接收太阳光，将光能转换为电能。电能通过导线首先传输到太阳能控制器上，然后太阳能控制器工作处理太阳能电池板传送过来的电能，一方面将其储存在蓄电池中，另一方面又可以直接将电能输送整个车辆的电路系统中，驱动整个汽车的运行。

注：1.储能蓄电池；2.洒水车本体；3.太阳能转化控制系统；4.太阳能电池板；5.太阳能控制器；6.太阳能电池板安装机构；7.水箱；8.驾驶室；9.立柱；10.平板安装架；11.调整组件；12.旋转台；13.连接铰杆；14.液压推杆组；15.外部充电接口。

该设计的关键问题是太阳能转化控制系统的设计，电路布置及其控制系统的设计，电池组参数的设计计算。

2 太阳能转化控制系统的设计

为了在使用过程中能最大限度地利用太阳能，以降低对外部充电方式的依赖，达到最大化地使用清洁能源的目的，设计了太阳能转化控制系统，包括太阳能电池板、太阳能控制器和太阳能电池板安装机构。太阳能电池板通过安装机构朝向可自由变化地安装在洒水车水箱顶部，安装机构的信号控制线与太阳能控制器连接，可在驾驶室通过太阳能控制器调节太阳能电池板的朝向。旋转台可根据日照的强弱和方向调整支架上太阳能电池板的高度和角度，从而实现以太阳能和电能为动力源的供能方式。

为了既满足结构的简单化，又满足太阳能电池板的朝向可自由变化的要求，设计了太阳能电池板安装机构，包括立柱、平板安装架和调整组件（见图2）。太阳能电池板用立柱支撑在洒水车水箱顶部，通过太阳能控制器控制调整组件自由调整太阳能电池板的朝向。此时，调整组件优选结构包括旋转台、联接铰杆和液压推杆组。平板安装架通过连接铰杆和液压推杆组沿前后左右方向可调整地支撑在旋转台上，旋转台可绕自身中心线旋转地安装在立柱上。

注：4.太阳能电池板；6.太阳能电池板安装机构；9.立柱；10.平板安装架；11.调整组件；12.旋转台；13.连接铰杆；14.液压推杆组。

3 电路布置及其控制系統的设计

智能型太阳能充放电控制器可以控制太阳能的负载接入，实现在太阳光下由太阳能电池板直接驱动汽车行驶或者给蓄电池充电。在没有光照的情况下，太阳能控制器又转为利用蓄电池驱动汽车行驶，实现最大化地利用能源，给车辆提供更强大的动力。

太阳能电池板线路与太阳能控制器相连，控制器又与蓄电池相连，当洒水车处充电状态时，控制器红灯亮，当洒水车处于用电状态时，控制器绿灯亮，这样使太阳能转化为电能储存，保证了洒水车的供能问题。太阳能电池板安装在可360°旋转的旋转台支架上，驾驶员可根据太阳光的强弱调整旋转台支架的角度与高度，这样充分增加了太阳能电池板的受光时长，也提高了太阳能的利用率，使洒水车的工作效率保持较高状态。当太阳光不充足时，太阳能电池板无法转换充足的太阳能为电能，这时，用蓄电池为洒水车供电，以保障洒水车正常运行。洒水车的电路布置见图3。

4 电池组参数的设计计算

该设计既能以太阳能组件提供动力，又能以储能蓄电池作为整个洒水车的动力装置。

以表1中所列实体车型为例，在洒水车箱体顶部铺设一层太阳能电池板（见表2），所能铺设的电池板个数为140个，将所有的电池板串接，则太阳能电池板的总功率为7 000W。根据杨军[1]关于太阳能车的光伏发电MPPT算法及厂家提供的太阳能电池板参数，电池板的转换效率为22%，则电池板实际功率为1 540W，能直接驱动洒水车工作。

太阳能电池板组件日发电量计算方法如式（1）和式（2）[2]：

[Qp=Ioc×H×kop×Cz] （1）

[H=Ht×2.778/10 000] （2）

式中，[Qp]为太阳能电池组件日发电量（Ah）；[Ioc]为太阳能电池板组件最佳工作电流（A）；[H]为标准光强下平均日辐射时数（h）；[kop]为倾斜修正系数；[Cz]为修正系数（主要为组合、灰尘、充电效率等的损失，一般为0.8）；[Ht]为太阳能日辐射量[kJ/（m2·天）]。

攀枝花市是我国有名的“阳光花城”，太阳能资源十分丰富，年辐射量是四川太阳能辐射的高值区。攀枝花的辐射参数[Ht]为5 600～6 300MJ/（m2·年），年日照时数为2 300～2 700h[3]。即每天攀枝花的辐射参数15 342～17 260kJ/（m2·天）；[kop]为0.956 2。根据式（1）和式（2）可计算出，太阳能电池组件日发电量为1 141.09～1 283.75Ah，每天可为蓄电池充电251.04～282.43Ah，可得到在太阳辐射达到攀枝花的年平均值时蓄电池充满电所需时间为9～11h，与外接电源充电联用，可满足正常使用。

5 结论

这种混合式供能洒水车结构简单、操作方便，所用能源来自太阳能或可用外接电源充电的电能，既能满足压尘洒水、高（低）位喷洒和护栏冲洗等功能，还能满足运水、排水、应急消防等功能，在节能减排的同时提高了洒水车的工作效率，具有良好的经济性和实用性。

参考文献：

[1]杨军.太阳能車光伏发电MPPT算法及控制研究[D].长沙：湖南大学，2013.

[2]司良群，吴刚，刘倩，等.独立光伏系统太阳能电池方阵及蓄电池容量设计[C]//重庆市电机工程学会.重庆市电机工程学会2010年学术会议论文集.重庆市电机工程学会，2010.

[3]李一平，杜成勋，陈永琼，等.攀枝花太阳能资源评价[J].高原山地气象研究，2009（1）：44-50.