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基于太阳能光伏发电技术的TYB―A型标志车的技术改造

　　【摘要】为解决TYB-A型标志车故障率高、安全性差、经济性差的问题，通过分析法和文献研究法，提出太阳能光伏发电系统应用于标志车，并对该系统的工作原理、结构组成、组件测算选配以及安装调试进行了详细阐述。实践证明，技改后标志车供电装置的可靠性、经济性以及操控简易性得到了极大改善，可供相关施工企业借鉴技改之用。

　　【关键词】标志车;供电装置;太阳能光伏发电技术;技术改造
　　引言
　　随着高速公路建设的迅速发展，高速公路保有量逐年增加，高速公路养护作业量也日益增多。我国交通部1991年2月发布了《国省干线GBM工程实施标准》，明确规定在高等级公路养护作业时，为满足公路交通管制的需求，必须配置标志车[1]。标志车，是一种道路施工或其他原因造成道路封闭而提醒或指示车辆驾驶人员改变行车行为的交通安全警示设施。笔者单位所使用的TYB-A型拖挂式标志车，是带有电源和可变信号标志牌的单轴挂车，经多年在道路施工中的使用，其所存在的问题也日益明显，主要体现在故障率高、经济及安全性差等方面。这些问题，不仅增加了设备运行与维护的成本，更为重要的是，因设备故障而导致的道路交通事故，造成了财产损失和人身伤害。故此，有必要采取相关措施，改善或解决上述问题。
　　1.TYB-A型标志车的简介
　　1.1 结构功能
　　TYB-A型标志车主要由底盘、供电装置、电控装置、信号指示装置以及升降装置五部分组成，其结构如图1所示。底盘，由车架1、车轮2以及支撑腿5构成，主要起牵引、行走和承载上装的作用。供电装置和电控装置，位于底盘左上方的控制箱3内，主要由发电机组、变压器、蓄电池和控制面板等组成，用于提供动力和控制负载工况。信号指示装置，位于底盘右上方，主要由标志牌4（包括限速标志牌41和灯光矩阵牌42）及警灯8等组成，用于提醒或指示驾驶员注意减速、变道或禁行等。升降装置，位于底盘中上方，主要由托架6和电动拉杆7等组成，利用直流电机正、反转工作原理控制拉杆的伸缩，从而达到灯光矩阵牌42升降（平躺和竖直）目的。
　　图1 TYB-A型标志车的结构示意图
　　1.2 工作原理
　　标志车所装备小功率发电机组，产生220V交流电，一方面作为备用电源（220V交流输出功能），另一方面经变压器变压整流后输出12V直流电压，供蓄电池充电之用;蓄电池输出电流至控制面板，通过选择控制器面板上的按钮，达到电源通断、指示标志变换、闪烁频率切换以及灯光矩阵牌升降等目的。
　　2.TYB-A型标志车的问题剖析
　　通过对标志车结构功能和工作原理的介绍，并结合其多年来在道路施工中的使用，笔者对标志车所存在的问题归纳为如下三个方面：
　　第一，故障率高。标志车已进入损耗故障期，零部件老化、磨损以及疲劳现象频发，主要表现在供电装置。
　　第二，安全性差。汽油为易燃易爆品，如储运、加注不当，极易应发火灾;另外，在夜间，因标志车故障导致可变信号指示失效时，极易发生道路交通事故。
　　第三，经济性差。燃油消耗量大，使用成本高;故障频发，维护成本增加。
　　在上述的三个问题中，第一个问题是关键性的问题。如果解决了供电装置的问题，第二、三这两个问题也将迎刃而解。
　　3.技改思路的提出
　　通过对标志车所存在问题的剖析，考虑到标志车底盘、电控装置、信号指示装置以及升降装置性能良好的现状，本着“合理利用，优化组合，节约成本”的原则，将此次技改重点锁定为“供电装置”。
　　结合多年工作经验及对光伏发电技术的文献研究，笔者提出了“利用太阳能光伏发电系统作为标志车的供电装置，去除原车220V输出功能（该功能在实际施工中极少使用，且为辅助功能，故考虑删减）”的技改思路。产生此种想法的缘由为，太阳能光伏发电技术已较为成熟，基于该技术的发电系统稳定可靠，节能环保，管理简单，自动化程度高，长期运行维护费用低，且具有无污染、无噪音、维护简单等特点[2]。
　　4.太阳能光伏发电系统的设计
　　太阳能光伏发电系统的设计要本着合理性、实用性、可靠性以及经济性的原则，做到既能保证光伏系统的长期可靠运行，充分满足负载的用电需要，同时又能使系统的配置最合理，达到最好的经济效益。
　　在设计过程中，所牵涉的因素很多，但因素有主次之分，应忽略一些次要因素，以便设计时能把握重点。因此，在抓住影响太阳能光伏发电系统设计的主要因素后，如标志车的负载特性（直流负载）、工作时间（连续工作时间长，耗电量大）以及作业方式（野外流动式作业）等，笔者认为，选择“有蓄电池的直流光伏发电系统”作为标志车的供电装置较为适宜。
　　4.1 系统工作原理及组成
　　有蓄电池的直流光伏发电系统的工作原理比较简单。有阳光时，太阳能光电板直接将光能转换为电能，并通过充放电控制器把太阳能光电板产生的电能储存于蓄电池中。当直流负载用电时，蓄电池中的电能通过充放电控制器合理分配至各个直流负载上。该系统的主要由太阳能光电板、充放电控制器、蓄电池、直流负载以及附属直流。配电装置等组成，如图2所示。
　　图2 有蓄电池的直流光伏发电系统结构示意图
　　4.2 系统组件选配
　　此系统组件选配主要依据标志车的负载特性、工作时间、作业方式以及使用地气候条件等对蓄电池、太阳能光电板以及充放电控制器的有关参量进行测算。为了使该系统能够给负载提供足够的电源，而又不至于增加成本，就要合理选择系统组件，以达到优化配置的目的，该系统各组件选配方法如下。
　　4.2.1 负载选型及功耗测算
　　（1）负载选型。该系统的用电负载主要是LED灯光矩阵牌、LED警示灯和电动推拉杆，皆为直流型负载，详见表1。LED灯光矩阵牌用于指示、禁止或限制车辆或行人交通行为，LED警示灯用于警告车辆或行人注意危险地点，电动推拉杆作为LED灯光矩阵牌升降之用。通常情况下，用电负载的工作时间段为当日18：00～次日6：00。因直流配件箱、充放电控制器的自耗电小，故耗电量忽略不计。 　　（2）功耗测算。在该系统中，各用电负载的额定功率与日耗电用时相乘后累加值，即为该系统负载日耗电总量，计算公式如下：
　　式中，Qi：表示所有用电负载日耗电总量，单位为W?I;
　　pi：表示各用电负载的额定功率，单位为W;
　　ti：表示各用电负载日耗电用时，单位为。
　　则所有用电负载日耗电总量计算如下：
　　Qi=20W×4I+0.5W×6I×2+120W×0.05I=92W?I
　　4.2.2 蓄电池容量测算与选型
　　蓄电池，是光伏发电系统中的储能装置，其作用是将太阳能光电板输出的电能以化学能的形式存在起来，按需输出于负载使用。与太阳能光电板配套的蓄电池，通常工作在浮充状态下，其电压随着太阳能光电板的发电量和负载的用电量变化而变化。考虑到蓄电池的供电能力受环境温度、放电电流以及夜间或阴雨天向负载连续供电等有关因素的影响，要求其电容比负载所需电量大得多，且寿命长、易维护。
　　（1）容量测算。蓄电池储备容量的大小主要取决于用电负载的耗电情况，此外，还与蓄电池放电深度、环境温度等有关。一般而言，蓄电池容量计算公式如下[3]：
　　式中，C：表示蓄电池容量，单位为A?I;
　　K1：表示安全系数，通常取1.1～1.4，此处取最大值;
　　Qi：表示所用用电负载的总用电量，单位为W?I;
　　N：表示最长无日照用电天数;
　　U：表示系统电压，根据负载类型确定的系统电压（即蓄电池电压）;
　　CC：表示蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75，碱性镍镉蓄电池取0.85，本系统选配铅酸蓄电池，应取0.75;
　　T：表示温度修正系数，一般在0℃以上取1，-10℃以上取1.1，-10℃以下取1.2;标志车使用地主要为江苏地区，使用期约为3～11月份，故此处取值为1。
　　根据用电负载类型，确定系统电压U为DC12V;鉴于蓄电池容量设计需达到最长无日照7天条件下仍能正常工作的考虑，N取值为7;则蓄电池容量计算如下：
　　（2）蓄电池选型。根据计算结果，选择型号为6-FMJ-100（容量为100A?I/12V）胶体蓄电池。
　　4.2.3 太阳能光电板功率测算与选型
　　太阳能光电板，是光伏发电系统中的核心部件，其作用是将太阳的辐射能转换为电能。目前，国内市场上晶体硅太阳能光电板所占比重较大（约九成以上），其基本类型有单晶体硅和多晶体硅，因单晶体硅太阳能光电板的性价比较高而被广泛应用。
　　（1）功率测算。太阳能光电板功率的大小主要取决于用电负载耗电、使用地气候条件、系统损耗等。一般而言，太阳能光电板功率计算公式如下：
　　式中，Pm：表示太阳能光电板的峰值功率，单位为W;
　　K2：表示损耗系数，与当地污染程度、线路损耗以及光电板安装角度等有关，通常取1.6～2.0，此处取最大值;
　　Qi：表示所有用电负载日耗电总量，单位为W?I;
　　Tm：表示太阳能光电板的平均峰值日照时数，可根据当地气象部门提供的数据而确定，单位为h;基于使用地点为江苏地区，则平均峰值日照时数为3.9467046 h（参照南京），此处取值为3.95。
　　则太阳能光电板的功率计算如下：
　　（2）太阳能光电板选型。根据计算结果，选择45C型单晶硅太阳能光电板，其主要参数如下：峰值功率Pm为45W，峰值电压为Vm为17.2V，峰值电流Im为2.57A，开路电压VCC为21.6V，短路电流ISC为2.76A。
　　4.2.4 充放电控制器参数测算与选型
　　充放电控制器，是光伏发电系统中的重要部件，其作用是使太阳能光电板和蓄电池高效、安全、可靠地工作，以获得最高效率，并延长蓄电池使用寿命。结合负载特性，充放电控制器对太阳能光电板的输出电流加以管控，对蓄电池充放电条件加以限制，防止蓄电池反充、过充以及过放现象的发生。
　　（1）最大充电电流，是指控制器所能控制的太阳能光电板给蓄电池充电时标准充电电流，其计算公式如下：
　　IFSC=K3*ISC
　　式中，IFSC ：表示最大充电电流，单位为A;
　　K3：表示安全系数，通常取1.25;
　　ISC：表示太阳能光电板短路电流，单位为A。
　　则控制器所能控制的最大充电电流计算如下：
　　IFSC=1.25×2.76A=3.44A
　　（2）最大负载电流，是指负载工作时，控制器所能控制的负载回路标准电流，其计算公式如下：
　　式中，I：表示最大负载电流，单位为A;
　　K3：表示安全系数，通常取1.25;
　　PL：表示各用电负载的额定功率之和，单位为W;
　　K4：表示损耗系数，通常取0.8;
　　U：表示控制器工作电压（即蓄电池电压）;
　　则控制器所能控制的最大负载电流计算如下：
　　（3）控制器选型。根据最大充电电流与最大负载电流的计算结果，将控制器的充放电电流设计为20A比较适合，故选择型号为20A 的控制器，其主要参数如下：额定充电电流20A，额定负载电流20A，工作电压12V，空载损耗（自耗电流）≤7mA。
　　4.3 系统安装与调试
　　太阳能光伏发电系统是涉及多种专业领域的高科技发电系统，不仅要有合理可靠、经济实用的优化设计，选用质量高、稳定好的系统组件，还必须有可靠的安装与调试[4]。
　　在安装方面，主要包含两部分，一部分为太阳能光电板在控制箱3上方的安装及直流配电柜、充放电控制器、蓄电池等电器设备在控制箱3内的安装;另一部分为各系统组件之间的连接线路铺设施工。在调试方面，常规的测试项目包括太阳能光电板测试、控制器性能测试以及系统的绝缘电阻测试、绝缘耐压测试、接地电阻测试等，可利用专业书籍及专用工具便可完成调试工作。
　　在安装调试结束后，将太阳能光伏发电系统接入整车系统，进行“实况负载耗电”测试，实测用电负载连续正常工作时间约为8.5天，符合设计值要求（最长无日照用电天数为7天）。
　　5.技改后的标志车在施工中的应用
　　在整车测试完毕后，历经4个月时间，配套有太阳能光伏发电系统的标志车在锡张、沪宁、宁常镇溧、京沪、宁杭等高速公路养护工程中得以应用。总体而言，太阳能光伏发电系统运行情况良好，各部位工况稳定，无故障出现，未进行维护，无运行费用投入，未出现安全隐患，操控简易而方便。
　　6.结语
　　太阳能光伏发电技术，是一种最具有可持续发展的可再生能源发电技术，对于节约常规能源、保护自然环境以及促进经济持续稳定发展都有着极为重要的现实意义和深远的历史意义。此次，将这项高新技术嫁接至老款标致车中，充分体现了“合理利用，优化组合，节约成本”的原则，优化了企业的技术装备，提高了设备运行的安全可靠性，减少了设备运行成本，延长了设备的使用周期。通过施工应用这一环节，基于太阳能光伏发电技术的标致车改造的可行性得到了进一步验证，可作为拥有该类型标致车的相关施工企业借鉴技改之用。
　　参考文献
　　[1]李宁. TB3000型拖挂式标志车电气控制系统[J].西安公路学院学报，1993，13：70-74.
　　[2]闫妍，马文阁，杜鹃，金成山.无线遥控式太阳能交通信号灯的研究设计[J].辽宁工学院学报，2007，27（1）：11-14.
　　[3]刘聪，蒋念东，夏爱华.太阳能供电的高亮度白光LED闪光电路的设计[J].国外电子元器件，2006（11）：30-33.
　　[4]何道清，何涛，丁宏林.太阳能光伏发电系统原理与应用技术[M].北京，化学工业出版社，2012.