太陽能光伏充電廳系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楚雄師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院 ■ 李雷 何永泰 趙恒利 何京鴻

0 引言

太陽能作為一種新能源，在日常生活中的應(yīng)用越來越廣泛，如太陽能光伏建筑一體化(BIPV)、太陽能路燈、太陽能光伏電站等。同時(shí)在交通領(lǐng)域，作為代步工具的電動(dòng)車因具有污染小、機(jī)動(dòng)性高等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展越來越迅速，有替代自行車和摩托車的趨勢(shì)，其發(fā)展也備受世界各國關(guān)注。但電動(dòng)車本身蓄電池儲(chǔ)能有限，限制了電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程。而太陽能光伏充電廳的設(shè)計(jì)和建造，能有效為電動(dòng)車和電能汽車及時(shí)充電，彌補(bǔ)電動(dòng)車蓄能不足的問題。所以，為蓄電池充電的電站設(shè)計(jì)極為必要。

太陽能光伏充電廳[1]具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)可建于城市廣場(chǎng)或停車場(chǎng)，充分發(fā)揮電動(dòng)車的停放空間；2)充分利用電動(dòng)車車主上班期間，電動(dòng)車的停放時(shí)間對(duì)其充電，具有統(tǒng)籌電動(dòng)車和車主時(shí)間關(guān)系的優(yōu)點(diǎn)；3)利用光伏組件發(fā)電優(yōu)勢(shì)，可做到節(jié)能減排；4)整個(gè)系統(tǒng)利用數(shù)字設(shè)備和系統(tǒng)有效組合，具有自動(dòng)化程度高、方便可靠的優(yōu)點(diǎn)。所以設(shè)計(jì)電動(dòng)車太陽能光伏充電廳有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。

由于國外電動(dòng)汽車的使用相對(duì)較早，技術(shù)相對(duì)較成熟，所以在西方發(fā)達(dá)國家，小型充電站較多且技術(shù)較成熟。比如，在德國及美國的一些公路上出現(xiàn)了電動(dòng)汽車臨時(shí)充電站。現(xiàn)在各國積極推行電動(dòng)摩托車及電動(dòng)小車，使充電站(廳)的建立具有可能性和必要性。

而在國內(nèi)，電動(dòng)汽車充電站的技術(shù)和設(shè)備也在不斷發(fā)展。2001年，張寶林[2]研究和探討了電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)，并且對(duì)非接觸性充電進(jìn)行了細(xì)致地探討。2006年，比亞迪已在比亞迪研發(fā)中心(上海)建成一座電動(dòng)汽車充電站并通過檢測(cè)，該充電站內(nèi)設(shè)有4臺(tái)充電柜，采用數(shù)字顯示和觸摸屏智能控制充電，同時(shí)擁有充電刷卡、收費(fèi)打印等功能，但該類充電站技術(shù)還不夠完善，相關(guān)技術(shù)還需進(jìn)一步提高。2010年，襄樊供電公司建設(shè)了湖北第一座電動(dòng)車電站，該電站由光伏組件作為供電單元，總?cè)萘繛?0 kWp[3]。奧運(yùn)工程建設(shè)中，為解決奧運(yùn)電動(dòng)汽車的充電問題，也建設(shè)了地面充電站。由此可見，電動(dòng)汽車基礎(chǔ)設(shè)施(充電站)的建設(shè)已成為發(fā)展趨勢(shì)，各國對(duì)電動(dòng)汽車充電站的研究都在加大投入。

1 蓄電池充放電時(shí)間分配及總電量計(jì)算

1.1 蓄電池充放電時(shí)間分配

表1為太陽能光伏充電廳時(shí)間分配表，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)間從早8:00開始，到晚21:00結(jié)束。在此期間，中午12:00～14:00，電動(dòng)車不進(jìn)行充電；夜晚18:00～21:00，光伏充電廳只進(jìn)行放電，不充電。

表1 太陽能光伏充電廳充、放電時(shí)間分配表

1.2 總電量計(jì)算

本文以工作電壓為48 V、額定容量為26 Ah的蓄電池作為光伏廳的電動(dòng)車蓄電池研究。針對(duì)本研究進(jìn)行4點(diǎn)假設(shè)：1) 所有充電電動(dòng)車的電池容量處于缺電狀態(tài)；2) 光伏充電廳的50個(gè)充電位置全部占滿；3) 電動(dòng)車在充電期間有變動(dòng)不予考慮；4) 針對(duì)不同類型蓄電池充電問題，系統(tǒng)的電壓通過逆變器逆變?yōu)?20 V交流電。

整個(gè)系統(tǒng)消耗的電能由3部分組成，電動(dòng)車蓄電池所需電能為Q1，由上午、下午兩部分組成，上、下午蓄電池放電功率與電動(dòng)車所需電能相等，可用蓄電池工作電壓×額定容量×工作時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，可知全天電動(dòng)車所需電能Q1=499.2 kWh；同理，夜晚蓄電池組提供電能Q2為187.2 kWh；系統(tǒng)耗能Q3按照總電能的1%計(jì)算；并且系統(tǒng)保證白天充電滿足電動(dòng)車蓄電池所用電能和儲(chǔ)能裝置蓄電池組的電能。整個(gè)系統(tǒng)消耗的電能Q為：Q= Q1+Q2+Q3=882.4 kWh。

2 容量設(shè)計(jì)

2.1 光伏組件容量[4]

光伏組件設(shè)計(jì)按照平均每日峰值日照時(shí)數(shù)為6計(jì)算，P=1.5Q/6=221 kW。其中，P為光伏組件功率。根據(jù)光伏組件串并聯(lián)關(guān)系可知，需要功率250 W的光伏組件共884個(gè)，其中串聯(lián)數(shù)29個(gè)，并聯(lián)數(shù)31個(gè)。

2.2 蓄電池容量[5]

整個(gè)系統(tǒng)按照連續(xù)陰雨天數(shù)為3天設(shè)計(jì)，C=L×D/(DOD×E1)=780 kAh。其中，C 為蓄電池容量；L為系統(tǒng)日耗電量，kWh；D為連續(xù)陰雨天數(shù)；DOD為蓄電池的最大放電深度，50%～80%，這里取80%；E1為系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率，80%～90%，取90%。

3 太陽能光伏廳設(shè)計(jì)

3.1 外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為電動(dòng)車光伏充電廳結(jié)構(gòu)示意圖。整個(gè)光伏充電廳以地面為分界線分為上、下兩部分，上部分主要有為電動(dòng)車充電的插座及按照最佳傾角和方位角設(shè)計(jì)的光伏組件，光伏組件主要提供整個(gè)系統(tǒng)所需電能；下部分是系統(tǒng)的儲(chǔ)能單元蓄電池和控制單元控制器，控制器包括控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和安全，也可與公共電網(wǎng)并網(wǎng)。

圖1 電動(dòng)車光伏充電廳結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 控制電路設(shè)計(jì)

太陽能光伏充電廳可通過對(duì)控制器的選擇，完成對(duì)系統(tǒng)的控制。圖2是光伏充電廳控制連接圖，太陽電池組件S1通過電子控制開關(guān)Q1、Q2與蓄電池B1、B2相連接；蓄電池組B1、B2輸出端子與電子控制開關(guān)Q3、Q4連接，而電子控制開關(guān)Q3、Q4另一端與負(fù)載端子連接；控制器端子P1、P2、P3、P4分別與4個(gè)電子控制開關(guān)相連，用來控制整個(gè)電路的斷開與閉合。

電路工作時(shí)，控制器打開電子開關(guān)Q1、Q2，太陽電池對(duì)蓄電池B1、B2充電，同時(shí)，打開的電子開關(guān)Q3、Q4為負(fù)載充電；當(dāng)蓄電池充電完成，電子開關(guān)Q1、Q2自動(dòng)斷開，不影響對(duì)負(fù)載充電；當(dāng)連續(xù)陰雨天氣、B1蓄電池組維護(hù)時(shí)，電子開關(guān)Q1、Q2、Q3斷開，只有Q4電子開關(guān)工作，維持整個(gè)系統(tǒng)正常工作。

圖2 電動(dòng)車光伏充電廳控制電路圖

4 太陽能光伏充電廳經(jīng)濟(jì)效益

4.1 太陽能光伏充電廳成本

本課題組對(duì)設(shè)計(jì)好的光伏充電廳從經(jīng)濟(jì)效益方面進(jìn)行評(píng)估，主要以投資收益和投資回收周期為指標(biāo)。光伏充電廳的初期投資成本如表2所示，初期投資主要包括太陽電池組件、控制器、蓄電池、逆變器、支架等設(shè)備和器件。通過計(jì)算可知，不含建筑投資，光伏充電廳初期投資資金需160萬元。其中，光伏組件和蓄電池組的投資是整個(gè)系統(tǒng)中較多的。建筑投資需資金40萬元，這樣整個(gè)光伏充電廳系統(tǒng)初期資金投入為200萬元。

4.2 太陽能光伏充電廳追加成本

蓄電池組的壽命按4年計(jì)算，在整個(gè)系統(tǒng)使用的25年中，蓄電池需更換6次，每次蓄電池的更換費(fèi)用為成本的60%。按此計(jì)算，25年中需投入資金335萬元，平均1年電池的投入為13.4萬元。

表2 光伏充電廳初期投資價(jià)格匯總表

光伏充電廳的年運(yùn)營維護(hù)費(fèi)按初期投資成本的1%計(jì)算，為1.7萬元。光伏充電廳1年的總收益主要是系統(tǒng)為居民電動(dòng)車充電，按照每個(gè)電動(dòng)車充電2元/次計(jì)算，上午、中午、晚上總共收益為50×3×2=300元；光伏充電廳運(yùn)營365天，全年總收益為10.95萬元。這樣凈收益為9.25萬元。

4.3 太陽能光伏充電廳收益率和回收周期

投資收益率為項(xiàng)目的年度凈收益與投資費(fèi)用之比：本文中光伏充電廳的投資收益率為0.05。投資回收期可用總成本除以年凈收益計(jì)算，可知投資回收期為22年，而太陽能光伏充電廳的平均運(yùn)行時(shí)間為25年。回收周期較長是由蓄電池組件價(jià)格昂貴導(dǎo)致的。從環(huán)保和節(jié)能減排的角度考慮，國家對(duì)光伏分布式發(fā)電的補(bǔ)貼是每季度補(bǔ)貼一次，補(bǔ)貼價(jià)0.42元，如果考慮該因素，投資回收周期可縮短為17年。這種漫長的回收周期是不能被接手的。

4.4 太陽能光伏充電廳并網(wǎng)成本

上述的計(jì)算表明，蓄電池組價(jià)格93萬元，占光伏充電廳系統(tǒng)總價(jià)格的58%，是整個(gè)系統(tǒng)成本最大組成部分。并網(wǎng)可省掉蓄電池的設(shè)備和維護(hù)成本，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的回收率。和離網(wǎng)光伏充電廳相比，并網(wǎng)充電廳只需追加布線、電表等設(shè)備就可完成系統(tǒng)的運(yùn)行。投資成本按1萬元計(jì)算，這時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的投資回收周期縮短為7.3年，同時(shí)考慮國家補(bǔ)貼，回收周期進(jìn)一步縮短為6.9年。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了太陽能光伏充電廳的結(jié)構(gòu)和控制電路圖，并對(duì)電動(dòng)車充電時(shí)間做了合理的規(guī)劃，在此基礎(chǔ)上對(duì)太陽能光伏廳蓄電池容量、光伏組件容量進(jìn)行了計(jì)算。設(shè)計(jì)能同時(shí)為50輛工作電壓為48 V、額定容量為26 Ah蓄電池的電動(dòng)車充電；需要功率250 W的光伏組件總共884個(gè)，需要蓄電池容量為1560 kAh；從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度看，投資收益率為0.04，回收周期為22年，但如果考慮了國家分布式發(fā)電的補(bǔ)貼政策，回收周期會(huì)縮短為17年。

為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本，課題組分析了系統(tǒng)成本過高的原因是蓄電池組設(shè)備和維護(hù)成本過高，而并網(wǎng)可省略這一成本。經(jīng)計(jì)算，并網(wǎng)條件下系統(tǒng)回收周期為7.3年，考慮國家補(bǔ)貼后，回收周期縮短為6.9年。這樣整個(gè)充電廳從經(jīng)濟(jì)的角度講是可行的。

[1] 楚雄師范學(xué)院. 一種電動(dòng)車太陽能光伏充電廳[P]. 中國:CN203026987U，2013-06-26.

[2] 張寶林. 電動(dòng)汽車的電源充電系統(tǒng)[J]. 輕型汽車技術(shù)，2001，(9): 6－10.

[3] 巍馮. 電動(dòng)汽車充電站10 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)[J]. 電氣技術(shù)，2010，(10): 117－119.

[4] 謝建，馬勇剛. 太陽能光發(fā)電工程實(shí)用技術(shù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2010，119－120.

[5] 賁禮進(jìn)，曹瑩，倪有軍. 太陽能家庭電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[J].新能源，2010，(12): 3.