太陽能光伏充電廳系統(tǒng)設(shè)計

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。同時在交通領(lǐng)域，作為代步工具的電動車因具有污染小、機動性高等優(yōu)點，發(fā)展越來越迅速，有替代自行車和摩托車的趨勢，其發(fā)展也備受世界各國關(guān)注。但電動車本身蓄電池儲能有限，限制了電動車?yán)m(xù)航里程。而太陽能光伏充電廳的設(shè)計和建造，能有效為電動車和電能汽車及時充電，彌補電動車蓄能不足的問題。所以，為蓄電池充電的電站設(shè)計極為必要。

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

由于國外電動汽車的使用相對較早，技術(shù)相對較成熟，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)了電動汽車臨時充電站。現(xiàn)在各國積極推行電動摩托車及電動小車，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]研究和探討了電動汽車充電系統(tǒng)，并且對非接觸性充電進(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)建成一座電動汽車充電站并通過檢測，該充電站內(nèi)設(shè)有4臺充電柜，采用數(shù)字顯示和觸摸屏智能控制充電，同時擁有充電刷卡、收費打印等功能，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]。奧運工程建設(shè)中，為解決奧運電動汽車的充電問題，也建設(shè)了地面充電站。由此可見，電動汽車基礎(chǔ)設(shè)施(充電站)的建設(shè)已成為發(fā)展趨勢，各國對電動汽車充電站的研究都在加大投入。

1 蓄電池充放電時間分配及總電量計算

1.1 蓄電池充放電時間分配

表1為太陽能光伏充電廳時間分配表，整個系統(tǒng)運作時間從早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、放電時間分配表

1.2 總電量計算

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車蓄電池研究。針對本研究進(jìn)行4點假設(shè)：1) 所有充電電動車的電池容量處于缺電狀態(tài)；2) 光伏充電廳的50個充電位置全部占滿；3) 電動車在充電期間有變動不予考慮；4) 針對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。

整個系統(tǒng)消耗的電能由3部分組成，電動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車所需電能相等，可用蓄電池工作電壓×額定容量×工作時間進(jìn)行計算，可知全天電動車所需電能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%計算；并且系統(tǒng)保證白天充電滿足電動車蓄電池所用電能和儲能裝置蓄電池組的電能。整個系統(tǒng)消耗的電能Q為：Q= Q1+Q2+Q3=882.4 kWh。

2 容量設(shè)計

2.1 光伏組件容量[4]

光伏組件設(shè)計按照平均每日峰值日照時數(shù)為6計算，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，其中串聯(lián)數(shù)29個，并聯(lián)數(shù)31個。

2.2 蓄電池容量[5]

整個系統(tǒng)按照連續(xù)陰雨天數(shù)為3天設(shè)計，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

3.1 外形結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為電動車光伏充電廳結(jié)構(gòu)示意圖。整個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車充電的插座及按照最佳傾角和方位角設(shè)計的光伏組件，光伏組件主要提供整個系統(tǒng)所需電能；下部分是系統(tǒng)的儲能單元蓄電池和控制單元控制器，控制器包括控制整個系統(tǒng)的運行和安全，也可與公共電網(wǎng)并網(wǎng)。

圖1 電動車光伏充電廳結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 控制電路設(shè)計

太陽能光伏充電廳可通過對控制器的選擇，完成對系統(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個電子控制開關(guān)相連，用來控制整個電路的斷開與閉合。

電路工作時，控制器打開電子開關(guān)Q1、Q2，太陽電池對蓄電池B1、B2充電，同時，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自動斷開，不影響對負(fù)載充電；當(dāng)連續(xù)陰雨天氣、B1蓄電池組維護(hù)時，電子開關(guān)Q1、Q2、Q3斷開，只有Q4電子開關(guān)工作，維持整個系統(tǒng)正常工作。

圖2 電動車光伏充電廳控制電路圖

4 太陽能光伏充電廳經(jīng)濟效益

4.1 太陽能光伏充電廳成本

本課題組對設(shè)計好的光伏充電廳從經(jīng)濟效益方面進(jìn)行評估，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系統(tǒng)中較多的。建筑投資需資金40萬元，這樣整個光伏充電廳系統(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年計算，在整個系統(tǒng)使用的25年中，蓄電池需更換6次，每次蓄電池的更換費用為成本的60%。按此計算，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格匯總表

光伏充電廳的年運營維護(hù)費按初期投資成本的1%計算，為1.7萬元。光伏充電廳1年的總收益主要是系統(tǒng)為居民電動車充電，按照每個電動車充電2元/次計算，上午、中午、晚上總共收益為50×3×2=300元；光伏充電廳運營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

投資收益率為項目的年度凈收益與投資費用之比：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算，可知投資回收期為22年，而太陽能光伏充電廳的平均運行時間為25年。回收周期較長是由蓄電池組件價格昂貴導(dǎo)致的。從環(huán)保和節(jié)能減排的角度考慮，國家對光伏分布式發(fā)電的補貼是每季度補貼一次，補貼價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

上述的計算表明，蓄電池組價格93萬元，占光伏充電廳系統(tǒng)總價格的58%，是整個系統(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)的運行。投資成本按1萬元計算，這時整個系統(tǒng)的投資回收周期縮短為7.3年，同時考慮國家補貼，回收周期進(jìn)一步縮短為6.9年。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了太陽能光伏充電廳的結(jié)構(gòu)和控制電路圖，并對電動車充電時間做了合理的規(guī)劃，在此基礎(chǔ)上對太陽能光伏廳蓄電池容量、光伏組件容量進(jìn)行了計算。設(shè)計能同時為50輛工作電壓為48 V、額定容量為26 Ah蓄電池的電動車充電；需要功率250 W的光伏組件總共884個，需要蓄電池容量為1560 kAh；從技術(shù)經(jīng)濟角度看，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)電的補貼政策，回收周期會縮短為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)計算，并網(wǎng)條件下系統(tǒng)回收周期為7.3年，考慮國家補貼后，回收周期縮短為6.9年。這樣整個充電廳從經(jīng)濟的角度講是可行的。

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

[2] 張寶林. 電動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)計方法[J].新能源，2010，(12): 3.