光伏充電站環境效益綜合評價

谷秀 趙志勇 李捍東

摘要：運用模糊綜合評價法對光伏充電站的環境效益進行綜合評價。通過構造區間互補判斷矩陣等步驟計算模糊評價矩陣，并進行歸一化計算，最后對照評語集得到評價結果。實證分析北京市鐵路貨場改造成為綠色物流配送中心及電動汽車充電站，用層次分析法確定4個方面（生態環境效益、環境質量效益、能源環境效益、社會環境效益）12項指標（增加土地利用率，促進資源開發利用，推動植被保護；減少CO2 排放，減少NOx排放，減少PM排放；促進新能源替代，降低車輛能耗成本，促進能源結構調整；改善居民生活水平，增加環保公眾意識，減少征地拆遷矛盾），綜合評價結果顯示環境效益很好，評價結果為光伏充電站行業的健康發展，環境保護防治等方面提供一定依據。

關鍵詞：模糊綜合評價法；光伏充電站；環境效益

中圖分類號：X820.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2016）04-0032-07

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2016.04.007

Abstract：：This thesis makes an environmental impact integrated assessment of PV-Based electric vehicle charging stations by means of fuzzy comprehensive assessment method. It first calculates fuzzy evaluation matrix with the procedure of constructing interval complementary judgment matrix； then， conducts normalization； and last， gets the result of environmental impact assessment by reference to remark set. This thesis empirically analyzes the transformation of Beijing railway freight yard into electric charging station and green logistics distribution center， and confirms four aspects including eco-environmental impact， environmental quality impact， energy environmental impact and social environmental impact， and twelve indexes by analytic hierarchy process. The twelve indexes contains raising land utilization rate， promoting the development and utilization of resources， promoting vegetation conservation； reducing carbon dioxide emission， reducing nitric oxide emission， reducing particulate matter emission； promoting new energy substitution， lowering the energy consumption of the vehicle， promoting the adjustment of energy structure； and improving peoples living standards， increasing the public environmental awareness， alleviating the conflict of land expropriation and housing demolition. The integrated assessment result shows that the environmental effect is positive， which provides a basis for PV-Based electric vehicle charging stations industrys healthy development along with environmental protection and pollution prevention.

Keywords：PV-based EV charging station；Fuzzycom prehensive assessment method；Environmental benefit

前言

根據世界國際鐵路聯盟的數據，運輸業產生的二氧化碳排放量占全球總排放的23%[1]，世界各個國家都制定了相關法律措施來限制污染物的排放。汽車被譽為“改變世界的機器”，在帶來快捷交通的同時產生了能源安全、環境污染等一系列問題[2，3]。我國在這兩年雖然取得了一定的減排成果，但是按照“到2020年單位GDP的二氧化碳排放量減少 40%—45%”[4]的目標，距離還很遠。發達國家通過研究開發電動汽車來解決能源和環境問題，在各方面給予大力支持[5-8]。在能源和環保的壓力下，發展清潔、環保產業已迫在眉睫。因此，在這樣的大背景下產生的電動汽車，其發展備受市場關注[9]。

各國政策大力推廣電動汽車，其中不可忽視的環節就是充電系統的建設，而利用太陽能充電不僅節約了能源，還能減少污染物的排放。太陽能作為可再生資源，是保護生態環境的清潔能源，其特點是無處不在[10，11]。通過采用太陽能建設發電系統，達到使用電動汽車實現節能減排的目的[12]。Richard Lowenthal 表示：“太陽能和電動車是注定一對天生的伙伴，利用太陽能來為電動車充電是最環保最好的解決方案 [13]。”關于光伏充電站的建設在國外已經有一些成功案例和相關研究[14，15，16，17，18]。美國研究在各地住宅和商業建筑屋頂上安裝光伏系統的減排潛力，計算每個光伏系統在減排二氧化硫，氮氧化物 ，二氧化碳方面的貢獻[19]。我國對于太陽能光伏發產業的現狀和問題也有想當研究[20，21，22]，光伏充電站已在我國襄樊建設，并在東莞、上海等地投入了使用[12]，其環境效益正在評價。建設光伏充電站不僅有利于電動汽車市場的發展，并且有利于提高群眾健康生活指數。

結合國內外研究動態，當前電動汽車和光伏利用已被進行了廣泛的研究，然而對光伏充電站的建設及其環境效益的綜合評價研究尚不多見。本文將基于以往相關研究在總結和創新的基礎上，系統地提出光伏充電站環境效益綜合評價指標體系，并通過案例進行環境效益的綜合評價，以期為環保產業的發展提供些許依據。

1 研究方法

1.1 方法介紹

光伏充電站環境效益綜合評價以模糊層次分析法（Fuzzy AHP） [23-25]為基礎，通過確定評價對象的指標體系、因素集和評價集，獲得模糊評價矩陣；將模糊評價矩陣與因素權集進行歸一化運算，得到模糊評價結果。綜合評價具有一定的主觀性，因此，在進行綜合效益評價時，須以客觀性為基礎，保證評價結果的有效性。

1.2 構建綜合效益評價模型

1.2.1 區間數的引入

由于專家認識信息的模糊性，文章引入區間數[26]，是對模糊綜合評價法的一種改進[27]，因為光伏充電站的環境效益作為評價對象，具有一定的模糊性，為了使評價結果更具真實性，引入[0，1]區間數表示這種模糊性。

1.2.2 光伏充電站環境效益綜合評價模型的構建

1.2.2.1 因素集的確定

記第一層因素集為，第二層因素集為，單個指標的等級評定設S個等級，記評語集為。

1.2.2.2 權重向量的確定

第一，根據指標劃分，專家采用0.1-0.9九標度法[28]對指標兩兩比較，確定區間數互補判斷矩陣Q。0.1-0.9度標如表1所示。

……………………………………（1）

……………………………（2）

式中，——互補判斷矩陣；

——以區間數形式表示互補判斷矩陣中第i行第j列個元素；第i個因素相比第j個因素的重要程度；

——區間數左端點數；——區間數右端點數；

需滿足：+=+=1…………………（3）

第二，計算互補判斷矩陣的行和并做歸一化，求出其區間數權重向量：

…………………………（4）

……………………………………（5）

式中，——以區間數形式表示的權重向量的第i個分量；

——以區間數形式表示的的左端點數；

——以區間數形式表示的的右端點數；

第三，對所有的區間數進行兩兩比較，并利用公式（7）建立可能度矩陣：

……………………………………（6）

………………………………………………（7）

式中，P——可能度矩陣；

——可能度矩陣第i行第j列個元素；

——的長度，；

——的長度，；

第四，將矩陣P的行和歸一化求出權重向量：

………………………（8）

………………………………（9）

式中——以實數形式表示的的第個分量。

1.2.2.3 確定單項指標對評語集的隸屬度，得到評判矩陣

…………………………………（10）

式中Ri，——評判矩陣；

——評判矩陣中第i行第j列個元素；

需滿足 …………………………（11）

1.2.2.4 環境效益的綜合評價

將第二層評價指標的權重矩陣與單因素評價矩陣相乘，得到總模糊綜合評判矩陣。將總模糊綜合評判矩陣與第一層因素集的權重作合成運算 ，做歸一化處理，得到模糊綜合評價結果，根據最大隸屬度原則，得到光伏充電站環境效益綜合評價的結果。

2 示范評價

2.1 項目簡介

項目將北京市門頭溝區三家店鐵路貨運站改造為電動車綠色物流配送及配套電動車充電中心，依托北京地區鐵路現有貨場所處地理條件，以鐵路貨場屋頂作為光伏充電來源，建設光伏充電樁。項目提出了“光伏+儲能+充電樁”的光伏儲能充電站模式，將電動汽車與光伏發電相結合，電動汽車在作為負載的同時，也相當于是一種儲能裝置，配以部分儲能蓄電池來實現削峰填谷，構成智能微網系統，為北京市多種形式電動車充電配套設施建設提供實踐。通過使用電動貨車代替傳統貨車以及建設光伏充電設施，并形成規模化示范基地，解決電動車充電樁不足的問題，通過雙電動力[29]的結合，減少進京大貨車的數量。

2.2 綜合效益評價

2.2.1 構建綜合評價模型

綜合評價中最重要的一步是構建科學、合理的綜合評價指標體系。光伏充電站屬于綠色產業，能帶來廣泛的環境效益。根據光伏充電站實際情況進行環境效益的分析界定，在此基礎上構建環境效益綜合評價指標體系。本文提出光伏充電站項目環境效益包括四個方面，即生態環境效益、環境質量效益、能源環境效益和社會環境效益。

光伏充電站的生態環境效益主要表現在增加土地利用率、促進資源開發利用和推動植被保護三個方面；環境質量效益是光伏充電站代替傳統汽車后，所能減少的典型污染物排放量，包括溫室氣體二氧化碳，氮氧化物和顆粒物；能源環境效益是指由光伏充電樁技術帶來的太陽能新能源，包括促進新能源替代、降低車輛能耗成本和促進能源結構調整；社會環境效益主要表現在改善居民生活水平、增加公眾環保意識和減少征地拆遷矛盾三個方面。

本文構建了光伏充電站環境效益綜合評價指標體系，共包括三層：第一層為目標層，評估光伏充電站環境效益的綜合等級；第二層為要素層，包含生態環境效益、環境質量效益、能源環境效益和社會環境效益四個要素；第三層為指標層，共包含12個二級指標，如圖1所示。

2.2.2 確定因素集和評語集

由上文可知，評價對象為光伏充電站的綜合環境效益，因素集分為兩層：

（1）第一層因素集為={ 生態環境效益，環境質量效益，能源環境效益，社會環境效益}，

（2）第二層因素集，包括四個方面，分別為：

{ 增加土地利用率，促進資源開發利用，促進植被保護}；

{ 減少CO2排放，減少 NOx排放，減少PM排放}；{促進新能源替代，降低車輛能耗成本，促進能源結構調整}；{增加公眾環保意識，改善居民生活水平，減少征地拆遷矛盾}；

評語集{很好，較好，一般，較差，很差}。

2.2.3 確定權重集

根據指標劃分，專家采用0.1-0.9九標度法對指標進行兩兩對比，給出下面區間數互補判斷矩陣B1（生態環境效益）、B2（環境質量效益）、B3（能源環境效益）、B4（社會環境效益）為：

利用（4）、（5）式計算區間互補判斷矩陣B的行和并歸一化，求出矩陣B的區間數權重向量（生態環境效益）、（環境質量效益）、（能源環境效益）、（社會環境效益）為：

對所有的區間數進行兩兩比較，利用公式（6）、（7），建立可能度矩陣（生態環境效益）、（環境質量效益）、（能源環境效益）、（社會環境效益）為：

通過可能度矩陣P的行和歸一化，求出權重向量（生態環境效益）、（環境質量效益）、（能源環境效益）、（社會環境效益）為：

2.2.4 確定總模糊評判矩陣

基于光伏充電站環境效益的因素集及評語集，根據專家打分，得出光伏充電站環境效益模糊綜合評判矩陣Ri，如表2所示。

作一級模糊綜合評價，得到總模糊評判矩陣，即：

2.2.5 綜合評價結論

作二級模糊綜合評價，取一級指標權重為=（0.2，0.3，0.3，0.2），通過計算=o并將歸一化，得出最后的評價結果為：C=（0.29，0.23，0.20，0.19，0.10）。

根據最大隸屬度原則，光伏充電站的環境效益綜合評價等級為最高級“很好”，即光伏充電站的綜合環境效益十分可觀。

3 結論

應用模糊綜合法對鐵路貨場光伏充電站的環境效益進行綜合評價，評價過程包括確定因素集和評語集、確定權重集、確定總模糊評判矩陣和多層次模糊綜合評價四個步驟。評價結果顯示鐵路貨場光伏充電站的綜合效益等級為最高級“很好”，說明鐵路貨場光伏充電站的環境效益可觀。希望本文的研究成果能夠為北京市乃至全國各地光伏充電站的發展提供借鑒意義。

參考文獻

[1]潘俊杰.低碳時代，鐵運上位[J].物流與供應鏈，2010，8（4）：14-15.

[2]JOHNSON J，CHOWDHURY M，HE Y M，et al.Utilizing real-time information transferring potentials to vehicles to improve the fast-charging process in electric vehicles[J].Transportation Research Part C：Emerging Technologies，2013，26（1）：352-366.

[3]AL-ALAWI B W，BRADLEY T H.Review of hybrid，plug-in hybrid，and electric vehicle market modeling Studies[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2013，21（5）：190-203.

[4]華賁.低碳發展時代的世界與中國能源格局[J].中外能源，2010，15（2）：1-9.

[5]LUCAS A，SILVA C A，RUI C N.Life cycle analysis of energy supply infrastructure for conventional and electric vehicles[J]. Energy Policy， 2012，41（4）：537-547.

[6]ANDERSEN P H， MATHEWS J A，RASK M.Integrating private transport into renewable energy policy： The strategy of creating intelligent recharging grids for electric vehicles [J].Energy Policy，2009，37（7）：2481-2486.

[7]SKERLOS S J，WINEBRAKE J J.Targeting plug-in hybrid electric vehicle policies to increase social benefits[J].Energy Policy，2010，38（2）：705-708.

[8]SOVACOOL B K， HIRSH R F. Beyond batteries：An examination of the benefits and barriers to plug-in hybrid electric vehicles （PHEVs） and a vehicle-to-grid （V2G） transition[J].Energy Policy，2009，37（3）：1095-1103.

[9]D Q Oliveira， A C Zambroni de Souza，L F N.Delboni.Optimal plug-in hybrid electric vehicles recharge in distribution power systems[J].Electric Power Systems Research，2013，98（5）：77-85.

[10]趙玉文.太陽能利用的發展概況和未來趨勢[J].中國電力.2003，36（9）：63-69.

[11]王長貴，王斯成.太陽能光伏發電實用技術[M].二版.北京：化學工業出版社，2009.

[12]江璐.太陽能電動汽車充電站設計研究[D].武漢：湖北工業大學，2012.

[13]網易新聞.芝加哥發布全球首座太陽能充電站[EB/OL].（2009-5-5）[2016-1-4].http：//news.163.com/09/0505/10/58HSIICB000125LI.html.

[14]范玉宏，張維，陳洋.國外電動汽車發展分析及對我國的啟示[J].華中電力，2010，23（6）：8-12.

[15]朱成章.對我國發展純電動汽車的質疑與思考[J].中外能源，2010，15（9）：11-15.

[16]LYON T P，MICHELIN M，JONGEJAN A，et al.Is“smart charging”policy for electric vehicles worthwhile？[J].Energy Policy，2012，41（2）：259-268.

[17]MARSHALL J S，HINES P D，ZHANG J D，et al.Modeling the impact of electric vehicle charging on heat transfer around underground cables [J].Electric Power Systems Research，2013，97（1）：76-83.

[18]YAO M F，LIU H F，FENG X.The development of low-carbon vehicles in China [J].Energy Policy，2011，39（9）：5457-5464.

[19]SPIEGEL R J，GREENBERG D L，KEM E C，et al. Emissions Reduction data for Grid-connected Photovoltaic Power Systems[J]. Solar Energy. 2000，68（5）：475-485.

[20]曹雪.中國太陽能光伏發電產業的現狀、問題與對策研究.中國高新技術企業[J].2009，（23）：76-78.

[21]趙黛青，邱立勛，廖翠萍.我國光伏發電產業的發展現狀分析.高科技與產業化[J].2007，（2），54-57.

[22]呂貝，邱河梅，張宇.太陽能光伏發電產業現狀及發展.華電技術[J].2010，32（1）：73-76.

[23]張吉軍.模糊層次分析法（FAHP）[J].模糊系統與數學，2000，14（2）：80-88.

[24]姜艷萍，樊治平.三角模糊數互補判斷矩陣排序的一種實用方法[J].系統工程.2002，20（2）： 89-92.

[25]CHIEN C J，TSAI H H. Using fuzzy numbers to evaluate perceived service quality [J].Fuzzy Sets and Systems，2000，116（2）：289-300.

[26]馮向前，魏翠萍，李宗植等.區間數互補判斷矩陣一致性及其權重算法研究[J].數學的實踐與認識.2007，37（19）：87-93.

[27]CHENG C，ZHOU Y H，YUE K W，et al.Study of SEA indicators system of urban green electricity power based on fuzzy AHP and DPSIR model[J].Energy Procedia，2011，12（39）：155-162.

[28]孟凡永.區間數、三角模糊數及其判斷矩陣排序理論研究[D].廣西：廣西大學，2008.

[29]谷秀，趙志勇，任陣海等.現代物流綠色運輸模式的節能減排潛力分析[J].環境工程技術學報.2014，4（6）：474-480.

收稿日期：2016-05-18

作者簡介：谷秀（1983-），女，碩士，主要從事化學品風險評估與環境影響評價技術研究.