光伏發(fā)電/電動汽車充電一體化停車棚的研制

吳少波，魏川川，余 江

(深圳市新天光電科技有限公司，廣東深圳 518116)

1 前言

世界能源問題位居世界十大焦點(diǎn)問題(能源、水、食物、環(huán)境、貧窮、恐怖主義和戰(zhàn)爭、疾病、教育、民主、人口)之首[1]。任何事物的生存、發(fā)展、變化和運(yùn)動都離不開能量[2]。宇宙間的能量形式多種多樣，其相對應(yīng)的能源形式也是各不相同，而且不同的能量形式間還可以相互轉(zhuǎn)換。隨著社會的發(fā)展和人類生活水平的提高，能源的需求越來越大，而化石能源是地球經(jīng)過億萬年的轉(zhuǎn)化形成的，根據(jù)英國石油公司(BP)發(fā)布的《2011年世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》報告[3]，截至2010年年底，全球石油探明儲量還能支持未來46.2年的能源需求，而按照目前的探明儲量(148億桶)和開采速度(20×108t/a)，中國石油只夠用9.9年;全球煤炭探明儲量可以滿足今后118年的煤炭生產(chǎn)需求;全球天然氣探明儲量可以滿足今后58.6年的生產(chǎn)需求，而且這些石化燃料的使用還伴隨著溫室氣體及酸雨等對環(huán)境的嚴(yán)重破壞。為應(yīng)對日益突出的環(huán)境污染與化石能源匱乏的問題，汽車行業(yè)正經(jīng)歷著新一輪革命，以電動汽車(EV)為主的新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為解決能源安全、環(huán)境污染問題的主要途徑，已成為世界各國在新能源領(lǐng)域競爭的主戰(zhàn)場，世界各大汽車廠商都逐步將研發(fā)重點(diǎn)由傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車轉(zhuǎn)向了電動汽車，電動汽車充電站是電動汽車發(fā)展的重要基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)和電動汽車商業(yè)化過程中的重要環(huán)節(jié)，新能源儲能型電動汽車充電站利用新能源發(fā)電和便宜“谷電”存儲在蓄電裝置中，白天為電動車充電，在特殊時期，此類充電站還可以作為臨時電站為重要部門和設(shè)備供電。因此，新能源儲能型電動汽車充電站必將成為未來電動汽車充電站的重要發(fā)展趨勢[4]。

2 停車棚主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

太陽能光伏(PV)電動汽車充電一體化停車棚，首先必須具備一般停車棚的基本功能，即方便汽車的停放、遮陽、擋雨;其次具有太陽能發(fā)電功能以及可以給停放的電動汽車補(bǔ)充電能的充電裝置;最后盡量突出此太陽能一體化停車棚的整體外觀新穎性和美觀性。因此，設(shè)計(jì)時既要充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，又要兼顧好彼此間的協(xié)調(diào)，以下是太陽能光伏電動汽車充電一體化停車棚主體設(shè)計(jì)過程。

2.1 場地位置和外觀形式

為得到盡可能多的太陽能，太陽能停車棚一般選址在橫向朝南、周圍無太陽光遮擋的地方。但在實(shí)際的操作中，可能不一定能滿足此條件，因此只能盡量做到兼顧。根據(jù)中華人民共和國建設(shè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《汽車庫建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 100—98)的規(guī)定，小型汽車停車位最小尺寸為:長5.3 m、寬2.4 m。根據(jù)建造現(xiàn)場情況，選定一個汽車的停車位，長為5.3 m、寬2.7 m，總共一排縱長為48.6 m，可同時停放18輛標(biāo)準(zhǔn)小汽車。為停車方便同時增加停車棚的美觀度，每隔2個車位中間豎立1個圓形停車棚支柱，作為太陽能光伏遮陽板的基礎(chǔ)支架，如圖1所示。

圖1 停車棚車位及光伏遮陽板支柱位置圖Fig.1 Position plan of parking space andPV sun shield support pillars

2.2 光伏板陣列頂棚傾角和方位角的確定

對于太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，為了最大化利用太陽能發(fā)電，在不考慮當(dāng)?shù)貧夂?云、霧、雨等)條件下，地球上任何緯度上的固定地點(diǎn)、面朝正南(北半球)、與地平面成與當(dāng)?shù)鼐暥戎迪嗟葍A角的平面，其年平均接收到的太陽直接輻射能最大[5]。考慮到氣候的巨大差異，同時考慮到大氣對太陽直射輻射的折射、反射與散射作用，一般而言，根據(jù)各個地方的地理環(huán)境的不同，電池板平面與地面水平面的傾斜角度等于當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥龋蚋鶕?jù)實(shí)際情況設(shè)置成當(dāng)?shù)鼐暥燃訙p5°～10°，才能保證一年當(dāng)中全年發(fā)電量最大[6]。根據(jù)此太陽能光伏停車棚建設(shè)當(dāng)?shù)氐膱龅匚恢脳l件，其光伏陣列棚面只能朝向正西。當(dāng)光伏陣列偏離正南時，對不同方位角，通過選擇合適的傾角，可以使光伏陣列的年產(chǎn)出電能下降很少[7]。因此，為減少光伏陣列面因非正南朝向而影響發(fā)電量，同時考慮停車棚整體外觀，可減小光伏頂棚傾角，經(jīng)綜合分析確定此停車棚光伏頂棚方位角朝正西，傾角為10°。

2.3 光伏板頂棚鋼管支柱及基礎(chǔ)尺寸確定

為使太陽能停車棚整體美觀大方，外形新穎，決定采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，配以白色，其中，圓柱形支柱外觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 太陽能光伏電動汽車充電一體化停車棚支柱圖Fig.2 Parking shed support pillars of PV and EV charging integration

根據(jù)前面設(shè)計(jì)方案，可得出每2個車位由1個圓鋼管支柱支撐，即1根圓鋼管的強(qiáng)度必須能支撐起2個車位面積大小的電池板重量和側(cè)風(fēng)荷載所產(chǎn)生的彎矩，而1個汽車的停車位大小為長5.3 m、寬2.7 m，對應(yīng)的電池板頂棚長5.5 m、寬2.7 m，由9塊太陽能電池模塊和相應(yīng)鋁支承框架及矩形鋼檁條組成，總自重約為180 kg，選用Q235圓鋼管作支柱，高(長)2.7 m，忽略鋼管支架自重，按最大12級風(fēng)荷載設(shè)計(jì)，其綜合穩(wěn)定受力分析見圖3。

圖3 太陽能光伏建筑一體化(BIPV)停車棚圓鋼管支柱系統(tǒng)受力分析圖Fig.3 The forces and moments analysis of BIPVarray shed and steel pipe stanchion

根據(jù)風(fēng)荷載計(jì)算公式[8]

式(1)中，C為風(fēng)力系數(shù)，負(fù)壓C=0.71+0.016=0.726，正壓 C=0.65+0.009θ=0.74;A為受風(fēng)面積，A=5.5×2.7=14.85(m2);I為用途系數(shù)，普通的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)取1;α為高度補(bǔ)償系數(shù)，10 m以下取1;J為環(huán)境系數(shù)，中層建筑物地域安裝場所取0.7;ρ為空氣密度風(fēng)速，取冬季最大值1.274(N·s2)/m4;V為風(fēng)速，12級風(fēng)速取36 m/s。所以，左上方向負(fù)壓風(fēng)荷載:F=0.5×0.87×14.85×1×1×0.7×1.274×36×36≈7 466(N);右下方向正壓風(fēng)荷載F=0.5×0.74×14.85×1×1×0.7×1.274×36×36≈6 350(N);頂棚重力 G=180×9.8=1 764(N)。

2.3.1 水泥基礎(chǔ)尺寸確定

根據(jù)圖3受力分析，可得在如圖3的負(fù)壓風(fēng)荷載作用下，風(fēng)力F向上的提升力:F1=Fcosθ;風(fēng)力F對A點(diǎn)的力矩 MA1為:MA1=0.5aFcosθ+(t+h)·Fsinθ;下面水泥基礎(chǔ)(設(shè)長寬為a米、深為t米)與頂棚的總重力=2 500×9.8a2t+G，其對A點(diǎn)的力矩MA2=0.5a(2 500×9.8a2t+G)。為使系統(tǒng)穩(wěn)定，根據(jù)力學(xué)平衡條件，可得

把 F=7 466 N，G=1 764 N，θ=10°代入式(3)，可得 a2t≥0.208，取 a=1 m，則 t≥0.208 m，再把h=2.7 m代入式(2)可得t≥0.575 m，最后可取水泥基礎(chǔ)大小為:長1 m、寬1 m、深0.6 m。

2.3.2 支柱鋼管尺寸確定

根據(jù)以上分析可知，圓鋼管支柱的最大風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩為

設(shè)圓鋼管的外徑為D，內(nèi)徑為d，根據(jù)工程力學(xué)與材料力學(xué)原理，純彎情況下的正應(yīng)力計(jì)算公式為式(4)中，σ為橫截面上某點(diǎn)正應(yīng)力，N/m2;M為該橫截面彎矩，N·m;y為該點(diǎn)到中性軸距離，m;Iz為該截面慣性矩，m4。

從式(4)可知，橫截面上正應(yīng)力σmax最大的點(diǎn)位于y值最大處，對于圓鋼管，此處y=0.5D，而圓

所以可得

由于圓鋼管材料 Q235鋼許用(彎曲)應(yīng)力[σ]=158 MPa，許用剪切應(yīng)力[]=98 MPa，許用擠壓應(yīng)力[σ]p=240 MPa。

根據(jù)梁彎曲強(qiáng)度條件

若圓鋼管外徑取D=244 mm=0.244 m，則可得圓鋼管內(nèi)徑

另外，圓鋼管支柱的最大風(fēng)荷載產(chǎn)生的向上拉力為 F1。F1=Fcosθ=7 466 × cos10°≈7 353(N)。則圓鋼管受到的拉力為 N，N=F1－G=7 353－1 764=5 589(N)

材料力學(xué)強(qiáng)度條件

式(8)中，圓鋼管材料 Q235鋼許用應(yīng)力[σ]=158 MPa，N=5 589 N，A=0.25(D2－d2)。

當(dāng)D=244 mm=0.244 m時，可得圓鋼管內(nèi)徑為

根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 50017—2003)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，對于受壓或受彎圓管，為避免出現(xiàn)局部屈曲，其外徑D與壁厚t之比應(yīng)滿足

對于 Q235鋼，fy=235 MPa，再把 D=244 mm代入式(11)，可得

而一般鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為方便焊接及防腐，受力鋼管的壁厚不得小于2 mm，也不宜大于24 mm。根據(jù)式(7)、(10)、(12)這3個約束條件，再綜合考慮各種因素，可選取外徑244 mm、壁厚5～12 mm的圓鋼管作太陽能光伏停車棚的主支柱。

3 太陽能光伏頂棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

太陽能光伏電池板作為停車棚遮陽頂棚，其結(jié)構(gòu)首先必須穩(wěn)固安全，耐久不漏雨，其次外觀新穎，安裝維護(hù)方便，再次價格適宜。綜合考慮后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4～圖7所示。

圖4 太陽能光伏建筑一體化停車棚電池模塊陣列支承檁條圖Fig.4 The PV modules array bearing purlines of BIPV parking shed

圖5 太陽能光伏建筑一體化停車棚電池模塊鋁型材安裝圖Fig.5 The PV modules aluminum support ofBIPV parking shed

圖6 太陽能光伏建筑一體化停車棚電池模塊橫向安裝圖Fig.6 The PV modules transverse assembly of BIPV parking shed

4 太陽能光伏發(fā)電電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖7 太陽能光伏建筑一體化停車棚電池模塊豎向安裝圖Fig.7 The PV modules vertical assembly of BIPV parking shed

對于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)部分，BIPV與一般光伏電站差別不大。但該項(xiàng)目是太陽能光伏建筑一體化應(yīng)用的示范項(xiàng)目，肩負(fù)著新能源應(yīng)用實(shí)驗(yàn)基地的主要任務(wù)，因此其設(shè)計(jì)時就被賦予了多方面的綜合應(yīng)用方案。首先是汽車停車棚，不但要停放汽車，還要給停放在此車棚下的電動汽車充電;其次還是太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電站，在汽車不充電時太陽能發(fā)電全部送上公用電網(wǎng);最后增加一個示范功能，就是太陽能離網(wǎng)獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)，這樣即使在沒有電力到達(dá)的荒山野嶺，通過太陽能光伏電站，照樣可為路過的電動汽車提供充電服務(wù)。為了使以上多種功能有機(jī)地協(xié)調(diào)工作，特別設(shè)計(jì)了光伏接入系統(tǒng)和系統(tǒng)智能控制系統(tǒng)，見圖8，其控制原理框圖見圖9。在系統(tǒng)智能控制器的控制下，太陽能光伏電池發(fā)的電自動優(yōu)先地給停車棚下停放的電動汽車充電，多余的太陽能電能由蓄電池儲存起來備用，蓄電池充滿電后，太陽能光伏電池發(fā)出的電能將由光伏并網(wǎng)逆變器直接轉(zhuǎn)換為市電并入公共電網(wǎng)，供給千家萬戶，同時光伏發(fā)電一直保持對蓄電池的保護(hù)浮充。當(dāng)遇陰雨天太陽能發(fā)電不足時，由公共電網(wǎng)自動接入為電動汽車充電。由于安裝場地方位限制，BIPV較難做到太陽能光伏發(fā)電最大化，實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行效率約為70%，平均日發(fā)電量約75 kW·h，能完全充滿5輛比亞迪F3DM混合動力電動汽車，若太陽能電力不夠，系統(tǒng)可自動轉(zhuǎn)為用公用電網(wǎng)為電動汽車充電(系統(tǒng)可根據(jù)需要設(shè)置為并網(wǎng)發(fā)電優(yōu)先還是離網(wǎng)發(fā)電優(yōu)先)。

為了方便停放在停車棚下面的電動汽車充電，在每個車位后面設(shè)置了一個交流充電樁。同時為方便參觀示范，特意設(shè)置了一個展示玻璃房，實(shí)際系統(tǒng)完全按設(shè)計(jì)自動運(yùn)行，也可手動演示，功能完美，部分照片見圖10。

圖8 太陽能光伏建筑一體化停車棚電氣系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.8 The electrical system topology of BIPV parking shed

圖9 XT30K智能控制器原理框圖Fig.9 The principle sketch of XT30K smart controller

5 結(jié)語

該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完美地展現(xiàn)并驗(yàn)證了太陽能光伏發(fā)電與電動汽車停車、充電及公用電網(wǎng)的有機(jī)融合，太陽能光伏建筑一體化電動汽車充電停車棚與電網(wǎng)結(jié)合可以減輕汽車充電對電網(wǎng)的沖擊，而在無電地方

圖10 太陽能光伏建筑一體化充電停車棚實(shí)際照片F(xiàn)ig.10 The pictures of BIPV charging and parking shed

可給過路電動汽車臨時補(bǔ)充能量，達(dá)到發(fā)電、停車、充電三不誤，同時其新穎的外觀讓人賞心悅目，達(dá)到美化環(huán)境的作用。近年來，隨著全球石油資源緊張、大氣污染嚴(yán)重和電池技術(shù)的提高，電動汽車已被世界公認(rèn)為是21世紀(jì)汽車工業(yè)改造和發(fā)展的主要方向[9]。世界范圍內(nèi)，電動汽車時代的序幕正在拉開，各國政府紛紛制定戰(zhàn)略、出臺政策、培育市場[10]。我國也已經(jīng)出臺了多個鼓勵發(fā)展新能源汽車的產(chǎn)業(yè)政策。電動汽車的商業(yè)化建立在新能源的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)之上，只有電動汽車的動力完全來自清潔能源時，其節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢才能得到充分體現(xiàn)[11]。回溯自然與人類的歷史，可從發(fā)現(xiàn)人類還未出現(xiàn)時的自然生態(tài)系統(tǒng)是一個完全平衡的循環(huán)再生系統(tǒng)，該系統(tǒng)由太陽能提供能量，然而在現(xiàn)代的工業(yè)經(jīng)濟(jì)時期，生態(tài)系統(tǒng)的能量主要由礦物燃料來提供，系統(tǒng)已經(jīng)不再平衡，產(chǎn)生了污染與廢物[12]。太陽能作為最清潔的和永不枯竭的免費(fèi)能源，其發(fā)展前景無限廣闊，隨著電動汽車的普及，停車、充電等一系列問題將出現(xiàn)在人類面前，而太陽能光伏建筑一體化電動汽車充電停車棚，不論是并網(wǎng)發(fā)電還是在電力覆蓋不到的荒山野嶺，都能完美地解決這個問題，并充分體現(xiàn)了電動汽車的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景。

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