一種新型太陽能充電站設(shè)計(jì)

鮑仁強(qiáng)

（浙江環(huán)球光伏科技有限公司，浙江 紹興312075）

0 引 言

面對(duì)傳統(tǒng)的燃油汽車尾氣排放所引起的空氣污染和其對(duì)石油資源的巨大消耗所引起的環(huán)境問題，電動(dòng)汽車由于其良好的節(jié)能和環(huán)保特性，迅速成為當(dāng)今汽車發(fā)展的潮流和趨勢(shì)。電動(dòng)汽車區(qū)別于常規(guī)汽車的最顯著特點(diǎn)就是依靠電力驅(qū)動(dòng)，電能補(bǔ)充及時(shí)與否，直接關(guān)系到電動(dòng)汽車能否繼續(xù)使用。目前存在的電動(dòng)汽車類型，不論是純電動(dòng)汽車還是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，都不可避免需要充電站的支持［1］。

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

為此利用光伏發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)，再結(jié)合常規(guī)電網(wǎng)取電和入網(wǎng)的方法，建立一種安全可靠、無噪聲、無污染的太陽能并網(wǎng)儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車充電站系統(tǒng)，以達(dá)到穩(wěn)定地為電動(dòng)車充電并實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

1 充電站介紹

電動(dòng)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(shí)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(nèi)實(shí)現(xiàn)中速、快速大功率充電，一般充電時(shí)間20 min～2 h，通過直流充電樁完成充電，適用于給電動(dòng)大巴、城市公交車充電。該充電系統(tǒng)稱為直流充電系統(tǒng)。主要由直流電源系統(tǒng)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(jì)入汽車價(jià)格，更換電池不需要交費(fèi)，這是人們喜聞樂見的。

目前，常規(guī)電網(wǎng)供電的快充和慢充型充電站系統(tǒng)主要由交流配電（含計(jì)量）、整流模塊、直流配電（含絕緣監(jiān)測(cè)）、監(jiān)控模塊和充電樁等幾部分組成。在未來的電動(dòng)汽車充電站建設(shè)中，可能會(huì)出現(xiàn)三種充電模式同時(shí)出現(xiàn)在充電站的局面，這將為不同時(shí)段的充電用戶提供了更多的選擇，用戶可以根據(jù)自身的需求選擇充電模式。

2 太陽能充電站系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)工作原理

本太陽能并網(wǎng)儲(chǔ)能式充電站系統(tǒng)集成了光伏組件方陣、直流配電設(shè)備、儲(chǔ)能蓄電池組、充電站智能控制系統(tǒng)、充電接口和電網(wǎng)接口等，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。充電站智能控制系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2所示。

圖1 太陽能充電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 充電站智能控制系統(tǒng)原理圖

在白天陽光充足時(shí)，系統(tǒng)光伏方陣所發(fā)直流電經(jīng)過直流配電單元匯流后，通過充電站智能控制系統(tǒng)充放電控制模塊的控制給蓄電池組儲(chǔ)能，再通過雙向逆變模塊連接到充電接口給電動(dòng)汽車供電，同時(shí)多余電量通過并網(wǎng)方式送入電網(wǎng)。在夜晚或者陰雨天氣當(dāng)儲(chǔ)能不足時(shí)，則電網(wǎng)通過智能控制系統(tǒng)給電動(dòng)汽車供電，同時(shí)通過智能控制系統(tǒng)中雙向逆變模塊給蓄電池組供電儲(chǔ)能，從而有效保證了充電站的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

2.2.1 通用化

針對(duì)電動(dòng)汽車多種類型動(dòng)力電池、多種電壓等級(jí)共存的市場(chǎng)情況，本太陽能充電站系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)具備自動(dòng)分析識(shí)別多種類型電池系統(tǒng)和各種電壓等級(jí)的能力，可與各類純電動(dòng)汽車上的不同動(dòng)力電池系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)充電特性匹配，以針對(duì)不同的電池進(jìn)行充電，滿足在公共場(chǎng)所與各類電動(dòng)汽車的充電接口、充電規(guī)范和接口協(xié)議等標(biāo)準(zhǔn)的通用性使用。

2.2.2 智能化

智能化體現(xiàn)在系統(tǒng)的供配電智能化、充放電智能化和檢測(cè)計(jì)量智能化。

供配電智能化可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)充電站光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)與常規(guī)電網(wǎng)的智能調(diào)節(jié)互動(dòng)，太陽能綜合利用，避免了大負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)沖擊，也能起到并網(wǎng)調(diào)峰作用。

充放電智能化可以通過優(yōu)化智能充放電技術(shù)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能蓄電池的無損充電和放電，監(jiān)控蓄電池的充放電狀態(tài)，避免過充和過放現(xiàn)象，完成蓄電池故障的自動(dòng)診斷和維護(hù)，從而達(dá)到延長蓄電池的使用壽命和節(jié)能的目的。

檢測(cè)計(jì)量智能化可以自動(dòng)檢測(cè)電動(dòng)汽車蓄電池類型、充電程度、儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電程度等，從而能為系統(tǒng)的智能化控制提供精確的數(shù)據(jù)和判斷依據(jù)。

2.2.3 便捷化

使用者可直接通過充電站智能控制系統(tǒng)中的液晶觸摸屏進(jìn)行充電類型選擇、充電量查詢、充電費(fèi)用查詢、聯(lián)網(wǎng)信息查詢、單據(jù)打印等操作，既便捷又人性化。同時(shí)該系統(tǒng)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(dòng)汽車充電或換電的快速化，能夠有效解決充電時(shí)間較長的問題。

2.3 系統(tǒng)組成

本太陽能充電站系統(tǒng)主要由三個(gè)子系統(tǒng)單元組成，分別是光伏發(fā)電子系統(tǒng)、儲(chǔ)能子系統(tǒng)、充電站智能控制系統(tǒng)，如圖1所示。

2.3.1 光伏發(fā)電子系統(tǒng)

本系統(tǒng)中光伏發(fā)電子系統(tǒng)的主要部件是太陽能電池組件和支持鋼構(gòu)。

圖3 太陽能充電站車棚結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

為有機(jī)結(jié)合太陽能充電站的光伏發(fā)電和充電功能，體現(xiàn)光伏建筑一體化及美觀性和實(shí)用性，著重設(shè)計(jì)推薦一種“7”字型太陽能充電站車棚，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。該太陽能充電站車棚設(shè)計(jì)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(biāo)注1）作為該車棚建筑結(jié)構(gòu)的遮陽擋雨構(gòu)件和發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電模塊，具有多重功用，實(shí)現(xiàn)了真正的光伏建筑一體化。

b.從美觀、受光面方向、發(fā)電量最大化及抗風(fēng)能力等因素綜合考慮，設(shè)計(jì)出獨(dú)特的“7”字型鋼構(gòu)（圖3中標(biāo)注2）作為整個(gè)車棚的支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)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(gòu)通過與地下混凝土墩、鋼筋預(yù)埋件及接地扁鋼焊接以實(shí)現(xiàn)固定連接和防雷接地，達(dá)到能抵抗10級(jí)臺(tái)風(fēng)的安裝效果。

以紹興地區(qū)為例，該車棚具體設(shè)計(jì)為：（1）考慮汽車遮陽擋雨效果，車棚頂側(cè)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(cè)向長度約為5.9 m；（2）為了使受光發(fā)電量最大化 ，該“7”字型鋼構(gòu)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(jù)系統(tǒng)安裝量和需求來定，但考慮鋼構(gòu)支撐強(qiáng)度，車棚2個(gè)支撐支柱之間的距離不得超過6 m。

2.3.2 儲(chǔ)能子系統(tǒng)

儲(chǔ)能子系統(tǒng)中所用蓄電池類型根據(jù)充電站功能類型不同進(jìn)行偏向性選擇。如該部分儲(chǔ)能蓄電池主要作為常規(guī)充電站中應(yīng)急電力用（即UPS），則可采用普通深循環(huán)鉛酸蓄電池或高儲(chǔ)能效果的磷酸鐵鋰蓄電池；如該儲(chǔ)能系統(tǒng)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(chǔ)能蓄電池應(yīng)選用電動(dòng)汽車的標(biāo)配蓄電池，以便實(shí)現(xiàn)通過和快速更換。

2.3.3 充電站智能控制系統(tǒng)

充電站智能控制系統(tǒng)主要包括充放電模塊、雙向逆變模塊、計(jì)量檢測(cè)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(tǒng)中這些功能模塊的綜合調(diào)制處理，來實(shí)現(xiàn)充電站的發(fā)電、儲(chǔ)能、并網(wǎng)、充電和計(jì)量收費(fèi)等多樣化功能；同時(shí)，根據(jù)實(shí)際需要，系統(tǒng)可再拓展出安全視頻監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，以實(shí)現(xiàn)充電站的區(qū)域性聯(lián)網(wǎng)控制。

3 結(jié) 論

順應(yīng)新能源汽車的崛起，本太陽能并網(wǎng)儲(chǔ)能式充電站系統(tǒng)在充分考慮了受光環(huán)境、建筑結(jié)構(gòu)和美觀性等各種環(huán)境因素基礎(chǔ)上，采用了先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，集合了新能源領(lǐng)域的光伏發(fā)電、儲(chǔ)能、并網(wǎng)、充電和計(jì)量收費(fèi)等諸多新技術(shù)，充分體現(xiàn)了其科學(xué)合理性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等特點(diǎn)，為電動(dòng)汽車的充電站建設(shè)提供了一種創(chuàng)新性的一體化解決方案。

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

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

［3］ 王長貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.