分布式光伏電動汽車充電站的設計與研究

張波?劉姝?白勁松?秦宇波?許譯文

摘 要 隨著新能源的汽車普及與推廣，新能源汽車充電完全依靠電網，會造成電網的沖擊。本文通過對分布式電動汽車充電站的具體實例進行分析，采取可再生能源技術經濟評估的方法，證實了分布式可以取締部分電網，同時分布式太陽能資源不僅可以解決電網壓力還可以獲得相應的收益。

關鍵詞 分散式供電樁;光伏發電系統;技術經濟評估

引言

新能源汽車又被稱為清潔能源汽車，以清潔能源取代化石能源。有著對環境污染小，資源浪費少等特點。

相關數據表明，在城市建設中，新能源汽車未被廣泛應用的主要原因是新能源汽車的充電樁、換電站等基礎設施較少。

充電樁所需電流大功耗大，若完全依賴于電網勢必會對電網產生沖擊。若要大規模建設依賴電網的充電站，則需要對電網的進行擴建，這使得依賴電網的充電站的建設舉步維艱。

新能源汽車相關產業最急需解決的是充電樁依賴于電網問題。因此提出了分布式光伏電動汽車充電站的解決方案。

分布式光伏電動充電站可以利用建筑物樓頂閑置空間搭建光伏組件，其發出的電能除供給新能源汽車使用外，還可以作為建筑物的應急能源。

1分布式汽車充電站設計

1.1 分布式光伏電動汽車充電原理

分布式光伏電動汽車充電站由光伏組件（PV array）、逆變器（inverter）、充電樁（Charging pile）、控制器（charge controller）、蓄電池（storage battery）、中央控制單元（Central control unit）、線纜（PV cable）及支架（PV stents）等組成。

①發電系統中的光伏陣列發出直流電，通過DC-DC中的控制單元有效的跟蹤光伏組件的最大功率，然后經逆變器轉換為交流電，再通過充電樁為新能源汽車供能或直接存儲在儲能系統中的蓄電池中;②夜間或陰雨天時，光伏陣列不能為充電樁提供電能時，儲能系統將為新能源汽車提供電能;③當儲能系統的能量也不足以供給的情況下，直接采取電網作為后備。

1.2 沈陽市太陽能資源

本次分布式光伏電動汽車充電站的設計地點為沈陽，它處于北緯N41°45′東經E123°35′。

因為電動汽車冬季耗電量大，如果按最佳傾角設計，可能會造成夏季剩余大量電量，因此用全年均衡冬半年最大的原則設計本系統。最好做到夏半年和冬半年在方陣面上的日輻射量相等，即H1=H2[1]。根據PVSYST軟件模擬確定本系統的傾角為54°。

據當地的氣象、地理資料及PVSYST軟件模擬的每個月份的太陽輻照量HT（KWh/m2），計算出光伏方陣面上的日平均峰值日照小時數3.93（h）。

1.3 分布式充電站系統設計

本節設計以一臺充電樁為例進行系統配備的分析。這樣設計的優點：①可以有效評估本電站;②可以隨著電動汽車的廣泛應用隨時增加充電樁的數量;③便于整個系統的故障檢修。

每臺充電樁需要配備32塊型號為GP-270P-60的光伏組件、一臺型號為SG8K-D的逆變器、32塊型號為6-CNFJ-40的蓄電池、8臺型號為MPPT1806的控制器及相關設備，共需42540元。

沈陽商業城安裝125臺充電樁，則建筑屋頂需安裝4000塊270W的光伏組件，總裝機容量為1.08MW，年平均發電量為1160kwh。本電站如果連續平穩運行25年，那么可以產生2904萬kwh的電能。相當于節約了10482噸標準煤，相當于減少了873噸二氧化硫的排放，相當于減少了29030噸二氧化碳的排放，相當于減少79200噸粉塵的排放。由此可見分布式光伏電動汽車充電站的環保效益非?？捎^。

2分布式光伏電動汽車充電站經濟性分析

根據《沈陽市加快新能源汽車推廣促進產業做大做強實施方案》可知，實際設備投資額（不含土地費用和土建投資）一次性給予20%的財政補貼。下文的經濟技術分析以一臺充電樁為例，這樣既可以有效表達經濟效益還可以清楚介紹每臺充電樁對環境產生的良好效益。

2.1 收益分析

根據PVSYST軟件可得出54°傾斜面的月輻照度，因此可計算出年平均峰值日照小時數為3.93h。光伏組件的年理論發電量為12400KWh。分布式光伏電動汽車充電站的各部分損耗為84%[2]、光伏組件的平均衰減率為89%和交流充電樁的效率為88%。

經過計算分布式光伏電動汽車充電站的平均年理論發電量為9294KWh。

設定電價9時～15時為0.8元/kwh，其余時間1.0元/kwh。計算經濟方面按照9時～15時用電90%，其余時間用電10%，平均每日發電量完全消耗且不考慮利用電網供電收取的額外費用。

經過計算分布式光伏電動汽車充電站的平均年收益為6707元。

2.2 經濟技術評估

根據可再生能源的技術經濟學的有關評價原理，結合不同地點光伏組件的性能特點并考慮到各種因素的影響[3]。項目以凈現值和動態投資回收期兩個指標作為對分布式光伏電動汽車充電站技術經濟評價和分析的標準。

每臺充電樁需要的總投資為42540元，因此在財政補貼后總投資為34032元。

（1）壽命凈現值

由于太陽能為非商品能源，其價值不可以直接確定，只能用能源代替的方法計算。按分布式光伏電動汽車充電站產能出售的標準來計算分布式光伏電動汽車充電站系統的年收益。分布式光伏電動汽車的充電站的凈現值可按下式計算。

式中C0是系統的初始投資為34032元;B是分布式光伏電動汽車充電站的平均年收益為6707 元;C是系統的運行成本為50元;n是系統的使用壽命為25年;nb是系統的蓄電池和充電樁的更換周期（蓄電池和充電樁的更換周期分別為5年、7年;更換成本分別為12480元、3200元）;i為社會折現率為10%。將數據代入上式中得

由此可見對于本分布式光伏電動汽車充電站系統34032元的初始投資來說，本系統在使用壽命期間內不僅可以接受可以把投資成本收回，還可以收益2322.25元。因此本系統的投資完全。

（2）回收期分析

采用動態投資回收期原理，設投資回收期為ndp，年社會年利率為i，B為系統的年收益，C為每年的運行維護費。由于回收期的定義，分布式光伏電動汽車充電站的初始投資C0與年凈收益（B-C）的關系為：

已知C0=34032元，（B-C）=6657元，i=10%。由上述公式計算出分布式光伏電動汽車充電站的動態回收期為：

也可以利用靜態回收期原理計算分布式光伏電動汽車充電站的回收期

nsp：

由此可見在國家日益重視的電動汽車的前提下，分布式光伏電動汽車充電站的建立投資方案可行。若以這個系統運行25年，可發電23.2萬kwh的電能，相當于77噸煤產生的電能。這個計算僅僅是以一臺充電樁為例，要是整個沈陽普及這種充電樁將可以減少更多的燃煤。

3結束語

本分布式光伏電動汽車充電站，為了鼓勵新能源汽車的使用者在發電高峰期為新能源汽車補給電能，以較低的價格出售電能，這樣減少了蓄電池的儲能成本。當設計儲能為全天發電量的25%時，充電電價在9～15時為0.8元/kwh，其余時間1.0元/kwh的情況下，利用經濟技術評估的方法計算得到相關數據證實了本系統完全具備可行性。

參考文獻

[1] Liu Zuming，Li Yingjun，Xie Jian，et al. Optimum design for fixed grid connected photovoltaic array[J]. Journal of Yunnan Normal University：Natural Science Edition，2000，20（6）：24-28.

[2] 周振凱，朱金生，朱燕艷，等.昆山市農村光伏車棚項目的設計及綜合效益評估[J].浙江科技信息，2018，（3）：40-41.

[3] 鞠振河.太陽能路燈系統的技術經濟評價[J].可再生能源，2004， （5）：29-31.

作者簡介

張波（1998-），男，遼寧葫蘆島人，在讀學生，學歷：本科，研究方向：新能源光伏發電設計。

劉姝（1973-），女，遼寧凌源人;學歷：博士學位，職稱：副教授/高級工程師，研究方向：分布式發電與微電網技術。