一種新型太陽能充電站設計

鮑仁強

（浙江環球光伏科技有限公司，浙江 紹興312075）

0 引 言

面對傳統的燃油汽車尾氣排放所引起的空氣污染和其對石油資源的巨大消耗所引起的環境問題，電動汽車由于其良好的節能和環保特性，迅速成為當今汽車發展的潮流和趨勢。電動汽車區別于常規汽車的最顯著特點就是依靠電力驅動，電能補充及時與否，直接關系到電動汽車能否繼續使用。目前存在的電動汽車類型，不論是純電動汽車還是混合動力電動汽車，都不可避免需要充電站的支持［1］。

目前大部分電動汽車充電站均是采用常規市電作為電力來源，而這需要城市配電網的大力支持，因此存在較大區域限制性；而太陽能作為可再生新能源是保護人類賴以生存的地球生態環境的清潔能源，具有無處不在的特點［2，3］，利用太陽能發電作為電動汽車充電站的電力來源將成為一種綠色、環保的供電方式。

為此利用光伏發電、儲能系統，再結合常規電網取電和入網的方法，建立一種安全可靠、無噪聲、無污染的太陽能并網儲能式電動汽車充電站系統，以達到穩定地為電動車充電并實現節能減排的目的。

1 充電站介紹

電動汽車充電的模式一般分為三種：①慢充模式：利用車載式充電器充電，一般充電時間在4～8 h，通過交流充電樁完成充電，適用于家用小轎車充電。②快充模式：在充電站內實現中速、快速大功率充電，一般充電時間20 min～2 h，通過直流充電樁完成充電，適用于給電動大巴、城市公交車充電。該充電系統稱為直流充電系統。主要由直流電源系統和直流充電樁組成。③換電模式：更換電池是一種最快速簡便的充電模式。蓄電池不計入汽車價格，更換電池不需要交費，這是人們喜聞樂見的。

目前，常規電網供電的快充和慢充型充電站系統主要由交流配電（含計量）、整流模塊、直流配電（含絕緣監測）、監控模塊和充電樁等幾部分組成。在未來的電動汽車充電站建設中，可能會出現三種充電模式同時出現在充電站的局面，這將為不同時段的充電用戶提供了更多的選擇，用戶可以根據自身的需求選擇充電模式。

2 太陽能充電站系統

2.1 系統工作原理

本太陽能并網儲能式充電站系統集成了光伏組件方陣、直流配電設備、儲能蓄電池組、充電站智能控制系統、充電接口和電網接口等，具體系統結構如圖1。充電站智能控制系統的內部結構和工作原理如圖2所示。

圖1 太陽能充電站系統結構圖

圖2 充電站智能控制系統原理圖

在白天陽光充足時，系統光伏方陣所發直流電經過直流配電單元匯流后，通過充電站智能控制系統充放電控制模塊的控制給蓄電池組儲能，再通過雙向逆變模塊連接到充電接口給電動汽車供電，同時多余電量通過并網方式送入電網。在夜晚或者陰雨天氣當儲能不足時，則電網通過智能控制系統給電動汽車供電，同時通過智能控制系統中雙向逆變模塊給蓄電池組供電儲能，從而有效保證了充電站的連續穩定運行。

2.2 系統特點

2.2.1 通用化

針對電動汽車多種類型動力電池、多種電壓等級共存的市場情況，本太陽能充電站系統的智能控制系統具備自動分析識別多種類型電池系統和各種電壓等級的能力，可與各類純電動汽車上的不同動力電池系統實現充電特性匹配，以針對不同的電池進行充電，滿足在公共場所與各類電動汽車的充電接口、充電規范和接口協議等標準的通用性使用。

2.2.2 智能化

智能化體現在系統的供配電智能化、充放電智能化和檢測計量智能化。

供配電智能化可以實現整個充電站光伏系統、儲能系統與常規電網的智能調節互動，太陽能綜合利用，避免了大負荷對電網的擾動沖擊，也能起到并網調峰作用。

充放電智能化可以通過優化智能充放電技術實現儲能蓄電池的無損充電和放電，監控蓄電池的充放電狀態，避免過充和過放現象，完成蓄電池故障的自動診斷和維護，從而達到延長蓄電池的使用壽命和節能的目的。

檢測計量智能化可以自動檢測電動汽車蓄電池類型、充電程度、儲能系統充放電程度等，從而能為系統的智能化控制提供精確的數據和判斷依據。

2.2.3 便捷化

使用者可直接通過充電站智能控制系統中的液晶觸摸屏進行充電類型選擇、充電量查詢、充電費用查詢、聯網信息查詢、單據打印等操作，既便捷又人性化。同時該系統可以提供大電流直流充電以及快速更換電池等多種手段，保證電動汽車充電或換電的快速化，能夠有效解決充電時間較長的問題。

2.3 系統組成

本太陽能充電站系統主要由三個子系統單元組成，分別是光伏發電子系統、儲能子系統、充電站智能控制系統，如圖1所示。

2.3.1 光伏發電子系統

本系統中光伏發電子系統的主要部件是太陽能電池組件和支持鋼構。

圖3 太陽能充電站車棚結構側視圖

為有機結合太陽能充電站的光伏發電和充電功能，體現光伏建筑一體化及美觀性和實用性，著重設計推薦一種“7”字型太陽能充電站車棚，具體結構如圖3所示。該太陽能充電站車棚設計方案如下：

a.該“7”字型太陽能充電站車棚中，太陽電池組件（圖3中標注1）作為該車棚建筑結構的遮陽擋雨構件和發電系統的發電模塊，具有多重功用，實現了真正的光伏建筑一體化。

b.從美觀、受光面方向、發電量最大化及抗風能力等因素綜合考慮，設計出獨特的“7”字型鋼構（圖3中標注2）作為整個車棚的支撐結構，同時該方式還能有效起到排水除塵作用。

c.該“7”字型太陽能充電站車棚中，“7”字型鋼構通過與地下混凝土墩、鋼筋預埋件及接地扁鋼焊接以實現固定連接和防雷接地，達到能抵抗10級臺風的安裝效果。

以紹興地區為例，該車棚具體設計為：（1）考慮汽車遮陽擋雨效果，車棚頂側向縱鋪3塊GSM－285太陽電池組件（尺寸1 956 mm×992 mm×45 mm），車棚斜側向長度約為5.9 m；（2）為了使受光發電量最大化 ，該“7”字型鋼構頂部向南面傾斜15°；（3）考慮人員和車輛高度，車棚前沿距地高度為3.5 m；（4）車棚橫向長度根據系統安裝量和需求來定，但考慮鋼構支撐強度，車棚2個支撐支柱之間的距離不得超過6 m。

2.3.2 儲能子系統

儲能子系統中所用蓄電池類型根據充電站功能類型不同進行偏向性選擇。如該部分儲能蓄電池主要作為常規充電站中應急電力用（即UPS），則可采用普通深循環鉛酸蓄電池或高儲能效果的磷酸鐵鋰蓄電池；如該儲能系統作為集中更換蓄電池類型的充電站的一部分用，則該部分儲能蓄電池應選用電動汽車的標配蓄電池，以便實現通過和快速更換。

2.3.3 充電站智能控制系統

充電站智能控制系統主要包括充放電模塊、雙向逆變模塊、計量檢測模塊和綜合控制模塊，具體如圖2所示。充電站通過控制系統中這些功能模塊的綜合調制處理，來實現充電站的發電、儲能、并網、充電和計量收費等多樣化功能；同時，根據實際需要，系統可再拓展出安全視頻監控和遠程監控等功能，以實現充電站的區域性聯網控制。

3 結 論

順應新能源汽車的崛起，本太陽能并網儲能式充電站系統在充分考慮了受光環境、建筑結構和美觀性等各種環境因素基礎上，采用了先進的設計理念，集合了新能源領域的光伏發電、儲能、并網、充電和計量收費等諸多新技術，充分體現了其科學合理性、經濟性、安全性等特點，為電動汽車的充電站建設提供了一種創新性的一體化解決方案。

［1］ 康繼光，衛振林，程丹明.電動汽車充電模式與充電站建設研究［J］.電力需求側管理，2009，11（5）：69－71.

［2］ 趙玉文.太陽能利用的發展概況和未來任務［J］.中國電力，2003，36（9）：62－69.

［3］ 王長貴，王斯成.太陽能光伏發電實用技術［M］.北京：化學工業出版社，2009.