楚雄师范学院物理与电子科学学院 ■ 李雷 何永泰 赵恒利 何京鸿

0 引言

太阳能作为一种新能源，在日常生活中的应用越来越广泛，如太阳能光伏建筑一体化(BIPV)、太阳能路灯、太阳能光伏电站等。同时在交通领域，作为代步工具的电动车因具有污染小、机动性高等优点，发展越来越迅速，有替代自行车和摩托车的趋势，其发展也备受世界各国关注。但电动车本身蓄电池储能有限，限制了电动车续航里程。而太阳能光伏充电厅的设计和建造，能有效为电动车和电能汽车及时充电，弥补电动车蓄能不足的问题。所以，为蓄电池充电的电站设计极为必要。

太阳能光伏充电厅[1]具有以下优点：1)可建于城市广场或停车场，充分发挥电动车的停放空间；2)充分利用电动车车主上班期间，电动车的停放时间对其充电，具有统筹电动车和车主时间关系的优点；3)利用光伏组件发电优势，可做到节能减排；4)整个系统利用数字设备和系统有效组合，具有自动化程度高、方便可靠的优点。所以设计电动车太阳能光伏充电厅有较强的实用价值和广泛的应用前景。

由于国外电动汽车的使用相对较早，技术相对较成熟，所以在西方发达国家，小型充电站较多且技术较成熟。比如，在德国及美国的一些公路上出现了电动汽车临时充电站。现在各国积极推行电动摩托车及电动小车，使充电站(厅)的建立具有可能性和必要性。

而在国内，电动汽车充电站的技术和设备也在不断发展。2001年，张宝林[2]研究和探讨了电动汽车充电系统，并且对非接触性充电进行了细致地探讨。2006年，比亚迪已在比亚迪研发中心(上海)建成一座电动汽车充电站并通过检测，该充电站内设有4台充电柜，采用数字显示和触摸屏智能控制充电，同时拥有充电刷卡、收费打印等功能，但该类充电站技术还不够完善，相关技术还需进一步提高。2010年，襄樊供电公司建设了湖北第一座电动车电站，该电站由光伏组件作为供电单元，总容量为10 kWp[3]。奥运工程建设中，为解决奥运电动汽车的充电问题，也建设了地面充电站。由此可见，电动汽车基础设施(充电站)的建设已成为发展趋势，各国对电动汽车充电站的研究都在加大投入。

1 蓄电池充放电时间分配及总电量计算

1.1 蓄电池充放电时间分配

表1为太阳能光伏充电厅时间分配表，整个系统运作时间从早8:00开始，到晚21:00结束。在此期间，中午12:00～14:00，电动车不进行充电；夜晚18:00～21:00，光伏充电厅只进行放电，不充电。

表1 太阳能光伏充电厅充、放电时间分配表

1.2 总电量计算

本文以工作电压为48 V、额定容量为26 Ah的蓄电池作为光伏厅的电动车蓄电池研究。针对本研究进行4点假设：1) 所有充电电动车的电池容量处于缺电状态；2) 光伏充电厅的50个充电位置全部占满；3) 电动车在充电期间有变动不予考虑；4) 针对不同类型蓄电池充电问题，系统的电压通过逆变器逆变为220 V交流电。

整个系统消耗的电能由3部分组成，电动车蓄电池所需电能为Q1，由上午、下午两部分组成，上、下午蓄电池放电功率与电动车所需电能相等，可用蓄电池工作电压×额定容量×工作时间进行计算，可知全天电动车所需电能Q1=499.2 kWh；同理，夜晚蓄电池组提供电能Q2为187.2 kWh；系统耗能Q3按照总电能的1%计算；并且系统保证白天充电满足电动车蓄电池所用电能和储能装置蓄电池组的电能。整个系统消耗的电能Q为：Q= Q1+Q2+Q3=882.4 kWh。

2 容量设计

2.1 光伏组件容量[4]

光伏组件设计按照平均每日峰值日照时数为6计算，P=1.5Q/6=221 kW。其中，P为光伏组件功率。根据光伏组件串并联关系可知，需要功率250 W的光伏组件共884个，其中串联数29个，并联数31个。

2.2 蓄电池容量[5]

整个系统按照连续阴雨天数为3天设计，C=L×D/(DOD×E1)=780 kAh。其中，C 为蓄电池容量；L为系统日耗电量，kWh；D为连续阴雨天数；DOD为蓄电池的最大放电深度，50%～80%，这里取80%；E1为系统能量转换效率，80%～90%，取90%。

3 太阳能光伏厅设计

3.1 外形结构设计

图1为电动车光伏充电厅结构示意图。整个光伏充电厅以地面为分界线分为上、下两部分，上部分主要有为电动车充电的插座及按照最佳倾角和方位角设计的光伏组件，光伏组件主要提供整个系统所需电能；下部分是系统的储能单元蓄电池和控制单元控制器，控制器包括控制整个系统的运行和安全，也可与公共电网并网。

图1 电动车光伏充电厅结构示意图

3.2 控制电路设计

太阳能光伏充电厅可通过对控制器的选择，完成对系统的控制。图2是光伏充电厅控制连接图，太阳电池组件S1通过电子控制开关Q1、Q2与蓄电池B1、B2相连接；蓄电池组B1、B2输出端子与电子控制开关Q3、Q4连接，而电子控制开关Q3、Q4另一端与负载端子连接；控制器端子P1、P2、P3、P4分别与4个电子控制开关相连，用来控制整个电路的断开与闭合。

电路工作时，控制器打开电子开关Q1、Q2，太阳电池对蓄电池B1、B2充电，同时，打开的电子开关Q3、Q4为负载充电；当蓄电池充电完成，电子开关Q1、Q2自动断开，不影响对负载充电；当连续阴雨天气、B1蓄电池组维护时，电子开关Q1、Q2、Q3断开，只有Q4电子开关工作，维持整个系统正常工作。

图2 电动车光伏充电厅控制电路图

4 太阳能光伏充电厅经济效益

4.1 太阳能光伏充电厅成本

本课题组对设计好的光伏充电厅从经济效益方面进行评估，主要以投资收益和投资回收周期为指标。光伏充电厅的初期投资成本如表2所示，初期投资主要包括太阳电池组件、控制器、蓄电池、逆变器、支架等设备和器件。通过计算可知，不含建筑投资，光伏充电厅初期投资资金需160万元。其中，光伏组件和蓄电池组的投资是整个系统中较多的。建筑投资需资金40万元，这样整个光伏充电厅系统初期资金投入为200万元。

4.2 太阳能光伏充电厅追加成本

蓄电池组的寿命按4年计算，在整个系统使用的25年中，蓄电池需更换6次，每次蓄电池的更换费用为成本的60%。按此计算，25年中需投入资金335万元，平均1年电池的投入为13.4万元。

表2 光伏充电厅初期投资价格汇总表

光伏充电厅的年运营维护费按初期投资成本的1%计算，为1.7万元。光伏充电厅1年的总收益主要是系统为居民电动车充电，按照每个电动车充电2元/次计算，上午、中午、晚上总共收益为50×3×2=300元；光伏充电厅运营365天，全年总收益为10.95万元。这样净收益为9.25万元。

4.3 太阳能光伏充电厅收益率和回收周期

投资收益率为项目的年度净收益与投资费用之比：本文中光伏充电厅的投资收益率为0.05。投资回收期可用总成本除以年净收益计算，可知投资回收期为22年，而太阳能光伏充电厅的平均运行时间为25年。回收周期较长是由蓄电池组件价格昂贵导致的。从环保和节能减排的角度考虑，国家对光伏分布式发电的补贴是每季度补贴一次，补贴价0.42元，如果考虑该因素，投资回收周期可缩短为17年。这种漫长的回收周期是不能被接手的。

4.4 太阳能光伏充电厅并网成本

上述的计算表明，蓄电池组价格93万元，占光伏充电厅系统总价格的58%，是整个系统成本最大组成部分。并网可省掉蓄电池的设备和维护成本，从而提高整个系统的回收率。和离网光伏充电厅相比，并网充电厅只需追加布线、电表等设备就可完成系统的运行。投资成本按1万元计算，这时整个系统的投资回收周期缩短为7.3年，同时考虑国家补贴，回收周期进一步缩短为6.9年。

5 结论

本文设计了太阳能光伏充电厅的结构和控制电路图，并对电动车充电时间做了合理的规划，在此基础上对太阳能光伏厅蓄电池容量、光伏组件容量进行了计算。设计能同时为50辆工作电压为48 V、额定容量为26 Ah蓄电池的电动车充电；需要功率250 W的光伏组件总共884个，需要蓄电池容量为1560 kAh；从技术经济角度看，投资收益率为0.04，回收周期为22年，但如果考虑了国家分布式发电的补贴政策，回收周期会缩短为17年。

为了进一步降低系统成本，课题组分析了系统成本过高的原因是蓄电池组设备和维护成本过高，而并网可省略这一成本。经计算，并网条件下系统回收周期为7.3年，考虑国家补贴后，回收周期缩短为6.9年。这样整个充电厅从经济的角度讲是可行的。

[1] 楚雄师范学院. 一种电动车太阳能光伏充电厅[P]. 中国:CN203026987U，2013-06-26.

[2] 张宝林. 电动汽车的电源充电系统[J]. 轻型汽车技术，2001，(9): 6－10.

[3] 巍冯. 电动汽车充电站10 kW光伏发电系统[J]. 电气技术，2010，(10): 117－119.

[4] 谢建，马勇刚. 太阳能光发电工程实用技术[M]. 北京: 化学工业出版社，2010，119－120.

[5] 贲礼进，曹莹，倪有军. 太阳能家庭电站系统设计方法[J].新能源，2010，(12): 3.