電動汽車用光伏充電系統投資效益分析

山東省熱電設計院 ■ 劉冉

0 引言

2012年Tesla汽車公司發布了Tesla Model S車型，其超長續航，百公里加速不僅使Tesla火遍全球，也讓電動汽車重新回到了大眾視野。電動汽車不再使用傳統的化石能源來驅動汽車，而是直接利用電能，沒有尾氣排放且能源利用效率高，無疑成為綠色出行的好工具。

電動汽車用光伏充電系統就是利用光伏發電來為汽車蓄電池充電，這將比單純的電動汽車或光伏發電更加節能，帶來可觀的經濟效益和社會效益。

1 系統介紹

1.1 光伏發電系統組成

根據電動汽車的實際使用情況，大部分充電時間應集中在晚上，即發電和充電時間是錯位的。光伏發電系統的電能是無法直接給電動車充電的，實際應用應是白天光伏系統發電上網，晚上從電網取電給電車充電。還可利用蓄電池儲能，但是大量的蓄電池價格昂貴，體積大，本文未予考慮。

因此，本文中電動汽車用光伏充電系統是由一套分布式光伏發電上網系統和一輛電動汽車充電裝置組成。分布式光伏發電上網系統由光伏組件、逆變器、雙向計量表等組成。

光伏組件能將光能轉化為電能，輸出直流電，而逆變器將直流電逆變為380 V交流電。為了節約成本，光伏組件的安裝容量是根據電動車的不同日均行駛里程配置，目的是實現光伏發電系統每天的發電量可滿足電動汽車用電量的需求。最后，要通過雙向計量表與電網相連，這樣既可得到光伏發電系統輸送到電網的發電量，又可得到用戶充電時的耗電量，是一種非常成熟的分布式光伏發電系統模式，已在國內很多分布式光伏發電項目中獲得應用。

1.2 國家對于分布式發電的補貼

國家完善光伏發電價格政策[1]對分布式光伏發電項目實行按照發電量進行電價補貼的政策，電價補貼標準為0.42元/kWh。

以山東電網為例，根據山東省物價局關于電價調整有關事項的通知(魯價格一發[2014]122號)[2]，電力火電廠脫硫標桿電價為0.45元/kWh，則光伏發電上網電價=火電脫硫標桿電價+分布式發電補貼=0.45+0.42=0.87元/kWh。而居民用電電價[3](即晚上充電時電價)約為0.55元/kWh，所以，使用光伏發電系統為電動汽車充電每度電可獲得收益為0.87–0.55=0.32元。

1.3 電動汽車參數

表1為Tesla Model S的詳細參數。

表1 Tesla Model S詳細參數

根據表1 給出的Tesla官方參數，以85 kWh容量的版本為例，E為電動汽車存儲電量，kWh；L為續航里程，則每km能耗為：

胡家莊稀土礦床位于萊蕪弧形斷裂弧頂的北側[4]，地層出露寒武—奧陶紀沉積巖及第四紀殘坡積物，其中以寒武系為主。寒武—奧陶系分布于該區的北部，地層NW—SE向分布，傾向NE。礦床受控于NW向的鹿野-孫祖斷裂[5]，破裂面向W傾斜，水平錯動較為明顯，為壓扭性斷裂，其成因與此斷裂密切相關。巖漿活動有2期，第1期為新太古代晚期，有花崗質巖漿侵入，生成了花崗巖及偉晶巖；第2期以中生代燕山晚期碳酸巖型巖漿為主的侵入，為碳酸巖、蛭石化含磷灰石云母巖等。礦體賦存于碳酸巖中，其圍巖為泥質灰巖。

2 光伏裝機容量和成本計算

2.1 氣象條件

以濟南地區(北緯36.67°，東經117°，海拔259 m)為例，地表反射率為0.2。由Meteonorm測得的數據如表2所示。

表2 濟南地區輻照量數據

2.2 每W發電量計算

計算依據主要為GB 50797-2012《光伏發電站設計規范》[4]中第6.6章節“發電量計算”。光伏發電站上網電量計算式為：

式中，Ep為上網發電量，kWh；HA為水平面太陽能總輻照量(峰值小時數)，kWh/m2；Es為標準條件下的輻照度(常數=1 kW/m2)；PAZ為組件安裝容量，kWp；K為綜合效率系數，綜合效率系數K包括：光伏組件類型修正系數，光伏方陣的傾角、方位角修正系數，光伏發電系統可用率、光照利用率、逆變器效率、集電線路損耗、光伏組件表面污染修正系數，光伏組件轉換效率修正系數，取值0.9。

結合光伏工程實際發電量數據，由式(1)可得，Ep=1388.2×0.001×0.9 ≈ 1.25 kWh。則濟南地區光伏組件每W年發電量約為1.25 kWh。

2.3 成本計算

使用光伏發電系統為電動汽車充電是一種分布式光伏發電的應用形式。本文未對電動汽車的價格進行分析，僅分析建設分布式光伏發電和單純使用電網充電的成本及效益。

根據家用汽車不同的日平均行駛km數，計算得出需要配置的光伏組件容量。

目前市場上光伏組件的價格約為4元/W，5000 W小型逆變器的價格約為5000元。以濟南地區光伏充電系統為例，設總成本為C，日均行駛里程為L，組件容量為V，則：

式中，Qr為電動汽車每km能耗；1.25為濟南地區光伏組件每W年平均發電量。

圖1為濟南地區光伏充電系統成本組成圖。由圖1可直觀地看出，光伏充電系統的成本隨著日均行駛里程的增加而增加。

2.4 效益分析

本文指的效益是光伏發電系統相對市電充電的收益。

式中，使用電量=時間×日均行駛里程用電量。

設P為光伏充電系統相對收益，t為時間，Q為用電量，則：

式中，0.55為居民用電電價；0.32為使用光伏發電系統為電動汽車充電每度電可獲得的收益Q=QrLt

將式(3)代入式(5)得：

由此，為了直觀表現收益情況，做如圖2所示的折線圖。

當 t=1342天 (即 3.7年 )時，P=-5000，即圖2中各條直線的交點。此時，光伏充電系統的收益已達到光伏組件的投資成本，只有逆變器的成本還需收回。

因此得出如下結論：

圖2 光伏充電系統相對利用市電充電收益

1)光伏充電系統產生效益的時間在4～12年。

2)車主日均行駛里程越長，盈利越快。比如日均行駛100 km，則只需4年時間光伏充電系統的使用成本就會和使用電網電能成本持平，以后通過補貼每年還會產生額外收益；而如果日均行駛30 km，則需要6年；日均行駛50 km，需要5年。所以光伏充電系統適合日均行駛公里數較長者。

3 結論

通過對比光伏充電系統和市電充電的成本和收益，我們發現要體現出光伏充電系統的投資效益，僅需要4～12年的時間，同時使用光伏發電可以減少化石能源的消耗，對節能減排、防治大氣污染有很大的示范意義。隨著光伏產業的規模化發展，光伏組件和逆變器的價格會逐步降低，光伏充電系統的投資回收時間還將進一步縮短；并且，光伏充電系統組成簡單，光伏組件的使用壽命高達25年，安裝維護都很方便。綜上所述，電動汽車用光伏充電系統在國家鼓勵新能源發展及度電補貼的背景下，投資效益明顯，有著很大的推廣意義。

[1] 國家發改委.關于發揮價格杠桿作用促進光伏產業健康發展的通知[EB/OL]. http://www.sdpc. gov. cn/zwfwzx/zfdj/jggg/dian/201308/t20130830_556127.html, 2013-8-26.

[2] 山東省物價局.山東省物價局關于電價調整有關事項的通知[EB/OL]. http://www.sdwj. gov. cn/ggfw/jggl/zls/08/82465.shtml , 2014-8-29.

[3] 山東省政府. 山東省電網銷售電價表[EB/OL]. http://www.jinan.gov. cn/art/2009/8/10/art_13623_366685. html, 2009-08-10.

[4] GB 50797-2012, 光伏發電站設計規范 [S].