基于太陽能光伏發電技術的TYB―A型標志車的技術改造【摘要】為解決TYB-A型標志車故障率高、安全性差、經濟性差的問題，通過分析法和文獻研究法，提出太陽能光伏發電系統應用于標志車，并對該系統的工作原理、結構組成、組件測算選配以及安裝調試進行了詳細闡述。實踐證明，技改后標志車供電裝置的可靠性、經濟性以及操控簡易性得到了極大改善，可供相關施工企業借鑒技改之用。【關鍵詞】標志車;供電裝置;太陽能光伏發電技術;技術改造引言隨著高速公路建設的迅速發展，高速公路保有量逐年增加，高速公路養護作業量也日益增多。我國交通部1991年2月發布了《國省干線GBM工程實施標準》，明確規定在高等級公路養護作業時，為滿足公路交通管制的需求，必須配置標志車[1]。標志車，是一種道路施工或其他原因造成道路封閉而提醒或指示車輛駕駛人員改變行車行為的交通安全警示設施。筆者單位所使用的TYB-A型拖掛式標志車，是帶有電源和可變信號標志牌的單軸掛車，經多年在道路施工中的使用，其所存在的問題也日益明顯，主要體現在故障率高、經濟及安全性差等方面。這些問題，不僅增加了設備運行與維護的成本，更為重要的是，因設備故障而導致的道路交通事故，造成了財產損失和人身傷害。故此，有必要采取相關措施，改善或解決上述問題。1.TYB-A型標志車的簡介1.1結構功能TYB-A型標志車主要由底盤、供電裝置、電控裝置、信號指示裝置以及升降裝置五部分組成，其結構如圖1所示。底盤，由車架1、車輪2以及支撐腿5構成，主要起牽引、行走和承載上裝的作用。供電裝置和電控裝置，位于底盤左上方的控制箱3內，主要由發電機組、變壓器、蓄電池和控制面板等組成，用于提供動力和控制負載工況。信號指示裝置，位于底盤右上方，主要由標志牌4（包括限速標志牌41和燈光矩陣牌42）及警燈8等組成，用于提醒或指示駕駛員注意減速、變道或禁行等。升降裝置，位于底盤中上方，主要由托架6和電動拉桿7等組成，利用直流電機正、反轉工作原理控制拉桿的伸縮，從而達到燈光矩陣牌42升降（平躺和豎直）目的。圖1TYB-A型標志車的結構示意圖1.2工作原理標志車所裝備小功率發電機組，產生220V交流電，一方面作為備用電源（220V交流輸出功能），另一方面經變壓器變壓整流后輸出12V直流電壓，供蓄電池充電之用;蓄電池輸出電流至控制面板，通過選擇控制器面板上的按鈕，達到電源通斷、指示標志變換、閃爍頻率切換以及燈光矩陣牌升降等目的。2.TYB-A型標志車的問題剖析通過對標志車結構功能和工作原理的介紹，并結合其多年來在道路施工中的使用，筆者對標志車所存在的問題歸納為如下三個方面：第一，故障率高。標志車已進入損耗故障期，零部件老化、磨損以及疲勞現象頻發，主要表現在供電裝置。第二，安全性差。汽油為易燃易爆品，如儲運、加注不當，極易應發火災;另外，在夜間，因標志車故障導致可變信號指示失效時，極易發生道路交通事故。第三，經濟性差。燃油消耗量大，使用成本高;故障頻發，維護成本增加。在上述的三個問題中，第一個問題是關鍵性的問題。如果解決了供電裝置的問題，第二、三這兩個問題也將迎刃而解。3.技改思路的提出通過對標志車所存在問題的剖析，考慮到標志車底盤、電控裝置、信號指示裝置以及升降裝置性能良好的現狀，本著“合理利用，優化組合，節約成本”的原則，將此次技改重點鎖定為“供電裝置”。結合多年工作經驗及對光伏發電技術的文獻研究，筆者提出了“利用太陽能光伏發電系統作為標志車的供電裝置，去除原車220V輸出功能（該功能在實際施工中極少使用，且為輔助功能，故考慮刪減）”的技改思路。產生此種想法的緣由為，太陽能光伏發電技術已較為成熟，基于該技術的發電系統穩定可靠，節能環保，管理簡單，自動化程度高，長期運行維護費用低，且具有無污染、無噪音、維護簡單等特點[2]。4.太陽能光伏發電系統的設計太陽能光伏發電系統的設計要本著合理性、實用性、可靠性以及經濟性的原則，做到既能保證光伏系統的長期可靠運行，充分滿足負載的用電需要，同時又能使系統的配置最合理，達到最好的經濟效益。在設計過程中，所牽涉的因素很多，但因素有主次之分，應忽略一些次要因素，以便設計時能把握重點。因此，在抓住影響太陽能光伏發電系統設計的主要因素后，如標志車的負載特性（直流負載）、工作時間（連續工作時間長，耗電量大）以及作業方式（野外流動式作業）等，筆者認為，選擇“有蓄電池的直流光伏發電系統”作為標志車的供電裝置較為適宜。4.1系統工作原理及組成有蓄電池的直流光伏發電系統的工作原理比較簡單。有陽光時，太陽能光電板直接將光能轉換為電能，并通過充放電控制器把太陽能光電板產生的電能儲存于蓄電池中。當直流負載用電時，蓄電池中的電能通過充放電控制器合理分配至各個直流負載上。該系統的主要由太陽能光電板、充放電控制器、蓄電池、直流負載以及附屬直流。配電裝置等組成，如圖2所示。圖2有蓄電池的直流光伏發電系統結構示意圖4.2系統組件選配此系統組件選配主要依據標志車的負載特性、工作時間、作業方式以及使用地氣候條件等對蓄電池、太陽能光電板以及充放電控制器的有關參量進行測算。為了使該系統能夠給負載提供足夠的電源，而又不至于增加成本，就要合理選擇系統組件，以達到優化配置的目的，該系統各組件選配方法如下。4.2.1負載選型及功耗測算（1）負載選型。該系統的用電負載主要是LED燈光矩陣牌、LED警示燈和電動推拉桿，皆為直流型負載，詳見表1。LED燈光矩陣牌用于指示、禁止或限制車輛或行人交通行為，LED警示燈用于警告車輛或行人注意危險地點，電動推拉桿作為LED燈光矩陣牌升降之用。通常情況下，用電負載的工作時間段為當日18：00～次日6：00。因直流配件箱、充放電控制器的自耗電小，故耗電量忽略不計。（2）功耗測算。在該系統中，各用電負載的額定功率與日耗電用時相乘后累加值，即為該系統負載日耗電總量，計算公式如下：式中，Qi：表示所有用電負載日耗電總量，單位為W?I;pi：表示各用電負載的額定功率，單位為W;ti：表示各用電負載日耗電用時，單位為。則所有用電負載日耗電總量計算如下：Qi=20W×4I+0.5W×6I×2+120W×0.05I=92W?I4.2.2蓄電池容量測算與選型蓄電池，是光伏發電系統中的儲能裝置，其作用是將太陽能光電板輸出的電能以化學能的形式存在起來，按需輸出于負載使用。與太陽能光電板配套的蓄電池，通常工作在浮充狀態下，其電壓隨著太陽能光電板的發電量和負載的用電量變化而變化。考慮到蓄電池的供電能力受環境溫度、放電電流以及夜間或陰雨天向負載連續供電等有關因素的影響，要求其電容比負載所需電量大得多，且壽命長、易維護。（1）容量測算。蓄電池儲備容量的大小主要取決于用電負載的耗電情況，此外，還與蓄電池放電深度、環境溫度等有關。一般而言，蓄電池容量計算公式如下[3]：式中，C：表示蓄電池容量，單位為A?I;K1：表示安全系數，通常取1.1～1.4，此處取最大值;Qi：表示所用用電負載的總用電量，單位為W?I;N：表示最長無日照用電天數;U：表示系統電壓，根據負載類型確定的系統電壓（即蓄電池電壓）;CC：表示蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75，堿性鎳鎘蓄電池取0.85，本系統選配鉛酸蓄電池，應取0.75;T：表示溫度修正系數，一般在0℃以上取1，-10℃以上取1.1，-10℃以下取1.2;標志車使用地主要為江蘇地區，使用期約為3～11月份，故此處取值為1。根據用電負載類型，確定系統電壓U為DC12V;鑒于蓄電池容量設計需達到最長無日照7天條件下仍能正常工作的考慮，N取值為7;則蓄電池容量計算如下：（2）蓄電池選型。根據計算結果，選擇型號為6-FMJ-100（容量為100A?I/12V）膠體蓄電池。4.2.3太陽能光電板功率測算與選型太陽能光電板，是光伏發電系統中的核心部件，其作用是將太陽的輻射能轉換為電能。目前，國內市場上晶體硅太陽能光電板所占比重較大（約九成以上），其基本類型有單晶體硅和多晶體硅，因單晶體硅太陽能光電板的性價比較高而被廣泛應用。（1）功率測算。太陽能光電板功率的大小主要取決于用電負載耗電、使用地氣候條件、系統損耗等。一般而言，太陽能光電板功率計算公式如下：式中，Pm：表示太陽能光電板的峰值功率，單位為W;K2：表示損耗系數，與當地污染程度、線路損耗以及光電板安裝角度等有關，通常取1.6～2.0，此處取最大值;Qi：表示所有用電負載日耗電總量，單位為W?I;Tm：表示太陽能光電板的平均峰值日照時數，可根據當地氣象部門提供的數據而確定，單位為h;基于使用地點為江蘇地區，則平均峰值日照時數為3.9467046h（參照南京），此處取值為3.95。則太陽能光電板的功率計算如下：（2）太陽能光電板選型。根據計算結果，選擇45C型單晶硅太陽能光電板，其主要參數如下：峰值功率Pm為45W，峰值電壓為Vm為17.2V，峰值電流Im為2.57A，開路電壓VCC為21.6V，短路電流ISC為2.76A。4.2.4充放電控制器參數測算與選型充放電控制器，是光伏發電系統中的重要部件，其作用是使太陽能光電板和蓄電池高效、安全、可靠地工作，以獲得最高效率，并延長蓄電池使用壽命。結合負載特性，充放電控制器對太陽能光電板的輸出電流加以管控，對蓄電池充放電條件加以限制，防止蓄電池反充、過充以及過放現象的發生。（1）最大充電電流，是指控制器所能控制的太陽能光電板給蓄電池充電時標準充電電流，其計算公式如下：IFSC=K3*ISC式中，IFSC：表示最大充電電流，單位為A;K3：表示安全系數，通常取1.25;ISC：表示太陽能光電板短路電流，單位為A。則控制器所能控制的最大充電電流計算如下：IFSC=1.25×2.76A=3.44A（2）最大負載電流，是指負載工作時，控制器所能控制的負載回路標準電流，其計算公式如下：式中，I：表示最大負載電流，單位為A;K3：表示安全系數，通常取1.25;PL：表示各用電負載的額定功率之和，單位為W;K4：表示損耗系數，通常取0.8;U：表示控制器工作電壓（即蓄電池電壓）;則控制器所能控制的最大負載電流計算如下：（3）控制器選型。根據最大充電電流與最大負載電流的計算結果，將控制器的充放電電流設計為20A比較適合，故選擇型號為20A的控制器，其主要參數如下：額定充電電流20A，額定負載電流20A，工作電壓12V，空載損耗（自耗電流）≤7mA。4.3系統安裝與調試太陽能光伏發電系統是涉及多種專業領域的高科技發電系統，不僅要有合理可靠、經濟實用的優化設計，選用質量高、穩定好的系統組件，還必須有可靠的安裝與調試[4]。在安裝方面，主要包含兩部分，一部分為太陽能光電板在控制箱3上方的安裝及直流配電柜、充放電控制器、蓄電池等電器設備在控制箱3內的安裝;另一部分為各系統組件之間的連接線路鋪設施工。在調試方面，常規的測試項目包括太陽能光電板測試、控制器性能測試以及系統的絕緣電阻測試、絕緣耐壓測試、接地電阻測試等，可利用專業書籍及專用工具便可完成調試工作。在安裝調試結束后，將太陽能光伏發電系統接入整車系統，進行“實況負載耗電”測試，實測用電負載連續正常工作時間約為8.5天，符合設計值要求（最長無日照用電天數為7天）。5.技改后的標志車在施工中的應用在整車測試完畢后，歷經4個月時間，配套有太陽能光伏發電系統的標志車在錫張、滬寧、寧常鎮溧、京滬、寧杭等高速公路養護工程中得以應用。總體而言，太陽能光伏發電系統運行情況良好，各部位工況穩定，無故障出現，未進行維護，無運行費用投入，未出現安全隱患，操控簡易而方便。6.結語太陽能光伏發電技術，是一種最具有可持續發展的可再生能源發電技術，對于節約常規能源、保護自然環境以及促進經濟持續穩定發展都有著極為重要的現實意義和深遠的歷史意義。此次，將這項高新技術嫁接至老款標致車中，充分體現了“合理利用，優化組合，節約成本”的原則，優化了企業的技術裝備，提高了設備運行的安全可靠性，減少了設備運行成本，延長了設備的使用周期。通過施工應用這一環節，基于太陽能光伏發電技術的標致車改造的可行性得到了進一步驗