電動(dòng)掃地車太陽能供電系統(tǒng)的應(yīng)用研究

摘要：本文是在該廠新開發(fā)的電動(dòng)掃地車的基礎(chǔ)上研究太陽能供電系統(tǒng)，采用在車頂棚安裝太陽能面板的形式給蓄電池充電，增加了新的充電來源。陽光照射到車頂太陽能電池陣列面板上，就產(chǎn)生電流。電流經(jīng)過MPPT和控制系統(tǒng)進(jìn)入蓄電池或者直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，以二者結(jié)合的方式運(yùn)行。太陽能轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵部件有太陽能面板、高效太陽能電池、電力控制系統(tǒng)三大方面。這些技術(shù)和產(chǎn)品國(guó)內(nèi)均已有成熟的生產(chǎn)廠家，結(jié)合成本需求，最后選擇合適的方案。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)掃地車 太陽能 供電系統(tǒng) 太陽能電池 控制系統(tǒng)

0 引言

面對(duì)日益嚴(yán)峻的能源短缺、燃油汽車環(huán)境污染等問題，促進(jìn)了包括太陽能利用在內(nèi)的新能源機(jī)車的應(yīng)用。發(fā)展新能源機(jī)車、實(shí)現(xiàn)交通能源轉(zhuǎn)型，將有效減少全球?qū)Σ豢稍偕茉吹囊蕾嚕行Ы档腿颦h(huán)境污染，成為實(shí)現(xiàn)汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。發(fā)展新能源機(jī)車已經(jīng)成為很多發(fā)達(dá)國(guó)家的能源戰(zhàn)略。

我國(guó)太陽能汽車事業(yè)起步較晚，多數(shù)太陽能汽車的研制工作主要由各院校和科研所進(jìn)行。目前太陽能只是應(yīng)用于汽車或者是摩托車上，至今尚無太陽能應(yīng)用于電動(dòng)車的專利、相關(guān)報(bào)道和產(chǎn)品，因此針對(duì)于太陽能電動(dòng)車，目前尚屬空白。[1]

2011～2020年我國(guó)《汽車與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》明確提出，到2020年，中國(guó)新能源汽車市場(chǎng)規(guī)模要達(dá)到世界第一，新能源車保有量達(dá)到500萬量，節(jié)能型混合動(dòng)力汽車銷量要達(dá)到世界第一。規(guī)劃明確提出將以純電動(dòng)車作為“主要戰(zhàn)略取向”，優(yōu)先發(fā)展電動(dòng)車，推進(jìn)純電動(dòng)車和混合動(dòng)力車的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。降低傳統(tǒng)不可再生燃油消耗是我們改造汽車產(chǎn)業(yè)的主要目的之一，但是減少對(duì)不可再生資源的開掘和依賴、降低二氧化碳的排放，才是我們發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)的終極目標(biāo)。電動(dòng)車固然不再燒油，但還得充電，電從何來？在中國(guó)這個(gè)電力仍然90%得依靠燒煤來獲得的國(guó)度，我們提供給充電站的每一度電仍然來自火電發(fā)電廠，單火電廠為一輛純電動(dòng)車跑100公里生產(chǎn)電力時(shí)產(chǎn)生的二氧化碳就可能已經(jīng)等同甚至超過跑同樣路程汽油車的排放。

1 太陽能掃地車的基本原理

太陽能電動(dòng)車以光電代化石油料能源，可節(jié)約有限的石油資源。白天，太陽能電池把光能轉(zhuǎn)換為電能自動(dòng)存儲(chǔ)在動(dòng)力電池中，在晚間還可以利用低谷電（220V）充電。太陽能電動(dòng)車不會(huì)排放污染大氣的有害氣體，也沒有內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的轟鳴噪音。燃油機(jī)車在等候交通信號(hào)燈，內(nèi)燃機(jī)不能停止運(yùn)轉(zhuǎn)，既造成了能源浪費(fèi)，又加重了空氣污染，而使用太陽能電動(dòng)車，減速停車時(shí)，可以不讓電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，大大提高了能源使用效率和減少了空氣污染。因此電動(dòng)機(jī)車與燃油機(jī)車相比有十分突出的節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)。[2]

本文所述的太陽能電動(dòng)掃地機(jī)是在該公司目前的電動(dòng)掃地車產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，關(guān)鍵是解決如何提高太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率，并對(duì)蓄電池進(jìn)行合理智能管理兩大問題。圖1是電動(dòng)掃地車上太陽能電池陣列面板安裝示意圖。

太陽能掃地機(jī)基本原理示意圖如圖2。陽光照射到車頂太陽能電池陣列面板上，就產(chǎn)生電流。電流經(jīng)過MPPT和控制系統(tǒng)進(jìn)入蓄電池或者直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，也可以二者結(jié)合的方式進(jìn)行。當(dāng)車輛停止行駛時(shí)，電能將直接進(jìn)入蓄電池。具體過程如下：①當(dāng)車輛運(yùn)動(dòng)并有充足的陽光照射時(shí)，且車處于停車狀態(tài)，此時(shí)產(chǎn)生的電能通過反饋系統(tǒng)反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)就會(huì)將這部分電能分配給蓄電池儲(chǔ)存起來，以供以后使用；②當(dāng)太陽能汽車在行駛過程中由于太陽能電池板提供的電能不足以驅(qū)動(dòng)其行駛，控制系統(tǒng)將從蓄電池中的電能提取出來，與太陽能電池板提供的電能一并供電機(jī)使用；③當(dāng)為陰天或者晚上，蓄電池儲(chǔ)能不夠時(shí)，也可以將蓄電池與220V的交流電連接，進(jìn)行充電。

2 供電系統(tǒng)

2.1 太陽能電池的選用 太陽能電池組件（也叫太陽能電池板）是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中最重要的部分，其作用是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來，或推動(dòng)負(fù)載工作。[3]

目前，太陽能電池主要分為晶體硅太陽能電池和薄膜太陽能電池兩種類型，而應(yīng)用較多的是晶體硅太陽能電池。晶體硅太陽能電池包括單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池。我國(guó)大規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率平均達(dá)到16.5%，這是所有種類的太陽能電池中光電轉(zhuǎn)換效率最高的，但制作成本高，導(dǎo)致它還不能被普遍的使用。多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率比單晶硅太陽能電池要低，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的光電轉(zhuǎn)換效率約14%左右。但是多晶硅太陽能電池制造成本低，生產(chǎn)周期短，因此得到大量發(fā)展。非晶硅太陽電池是1976年出現(xiàn)的新型薄膜式太陽電池，它與單晶硅和多晶硅太陽電池的制作方法完全不一樣，工藝過程簡(jiǎn)化，硅材料消耗的也比較少，電耗更低，它的優(yōu)點(diǎn)就是在弱光條件下也能發(fā)電。但非晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率偏低，國(guó)際先進(jìn)水平可以達(dá)到10%左右，而且不夠穩(wěn)定，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，其轉(zhuǎn)換效率衰減。[4]

綜上所述，考慮成本問題，多晶硅太陽能電池的性價(jià)比較好，故選用多晶硅太陽能電池。

2.2 儲(chǔ)能設(shè)備 儲(chǔ)能技術(shù)是為了解決電力供需不平衡的的問題。由于光照的不穩(wěn)定性和不確定性造成了光伏發(fā)電的不連續(xù)性，為了保證電能供應(yīng)的連續(xù)性，需要把光伏發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的電儲(chǔ)存起來進(jìn)行再分配。

目前，將電能儲(chǔ)存起來的能量轉(zhuǎn)換方式有很多種，而太陽能電動(dòng)車選用的是蓄電池儲(chǔ)能。電動(dòng)汽車蓄電池的研發(fā)經(jīng)歷是從鉛酸電池開始的，鉛酸蓄電池是法國(guó)人G.Plante于1859年發(fā)明的。經(jīng)過近150年的發(fā)展，在人們研發(fā)了鎳氫動(dòng)力電池和鋰動(dòng)力電池之后，便被業(yè)內(nèi)猜測(cè)要退出歷史舞臺(tái)了。然而，鉛酸蓄電池的種類及品質(zhì)、電氣性能都比較成熟，雖然比能量、比功率和能量密度都比較低，但是高的性價(jià)比及高倍率放電，仍然成為唯一能大批量生產(chǎn)的電動(dòng)車用電池。但鉛酸電池在電動(dòng)汽車上也有缺陷，存在續(xù)駛里程短，使用壽命差、及體積大、質(zhì)量重、不環(huán)保等缺點(diǎn)。太陽能電動(dòng)車的蓄電池組要根據(jù)太陽能電池組件的發(fā)電容量來合理選擇蓄電池組的容量。具體選擇何種蓄電池，需要考慮蓄電池的電器性能、尺寸、質(zhì)量、大小、成本、安全、再利用性和可維護(hù)性等等。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行選擇，鉛酸蓄電池將會(huì)是比較理想的選擇。

3 太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)

在太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，太陽能電池陣列面板的安裝方式對(duì)接收到的太陽輻射總量有很大的影響，接收到的輻射量越大，太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)的效率就越高。太陽能電池陣列面板的安裝方式有以下兩種：分別是固定式和自動(dòng)跟蹤式。[5]為了提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)的效率，我們選用自動(dòng)跟蹤式的安裝方式。隨著太陽的東升西落，太陽能電池陣列面板會(huì)間隔一定時(shí)間調(diào)整到接受陽光輻射量最多的最佳角度，這樣使得整個(gè)系統(tǒng)接受到最大限度地太陽輻射，使太陽能的利用效率達(dá)到最高水平，從而降低成本。

掃地車采用以單片機(jī)為控制核心的充電控制器，對(duì)蓄電池的“串”轉(zhuǎn)“并”進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲瑢?shí)現(xiàn)并聯(lián)充電串聯(lián)放電模式；此外采用脈寬調(diào)制變功率輸出控制器，對(duì)電池組的端電壓、溫度、充電電流、放電電流進(jìn)行智能檢測(cè)，對(duì)蓄電池的放電進(jìn)行智能控制。

4結(jié)論

本文所涉及的動(dòng)力蓄電池、電機(jī)、太陽能陣列面板電池、電力控制系統(tǒng)等元器件采取向國(guó)內(nèi)技術(shù)成熟的生產(chǎn)廠家購(gòu)買或定做，鉛酸動(dòng)力電池由電池廠家負(fù)責(zé)回收處理。

太陽能電動(dòng)掃地機(jī)的研發(fā)成功后，該廠將此技術(shù)擴(kuò)展到其他純電動(dòng)產(chǎn)品，如電動(dòng)垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)、電動(dòng)垃圾保潔機(jī)、電動(dòng)巡邏車等電動(dòng)機(jī)車。同時(shí)，硅太陽能電池使用方便，經(jīng)久耐用，無排放，不污染環(huán)境。在白天，通過太陽能光電池陣列面板得到能量，通過太陽能電池陣列面板的轉(zhuǎn)換變成動(dòng)力。在晴朗陽光普照的正午，一個(gè)好的太陽能陣列面板每平米能產(chǎn)生超過1000W（1.3HP）的能量。這些能量經(jīng)過太陽能電池陣列面板吸收通過電力系統(tǒng)被蓄電池儲(chǔ)存以備后用，降低了城市電網(wǎng)的發(fā)電壓力，減少了發(fā)電所需的能源消耗，起到建設(shè)節(jié)約型社會(huì)、使用清潔能源的帶頭作用。此外，該項(xiàng)目預(yù)計(jì)還可以增加100個(gè)以上的就業(yè)崗位，有較好的帶動(dòng)就業(yè)效益。

參考文獻(xiàn)：

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[4]K.T.Chau， C.C.Chan， ChunhuaLiu. OverviewofPermanent-MagnetBrushless Drives for ElectricandHybridElectricVehicles（J）.IEEETransactionsonIndustrialElectronics.2008，55（6）：2246-2257.

[5]盧琳，殳國(guó)華，張仕文.基于MPPT的智能太陽能充電系統(tǒng)研究[J].西安：電力電子技術(shù)，2007.2.