太陽能發(fā)電系統(tǒng)在電動服務(wù)車上的應(yīng)用的探討

李文龍 楊 松

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院車輛工程系，湖北 武漢 430070）

引言

汽車工業(yè)的高速發(fā)展以及人們對于汽車使用需求的不斷增加，帶動了汽車產(chǎn)量和保有量的持續(xù)上升，但是汽車的日益增多也帶來了一些問題，從而加劇了人們目前普遍關(guān)注的能源問題和環(huán)境問題。純電動汽車具有低噪聲、無污染、能量來源多樣化、能量效率高的特點(diǎn)，是解決城市化中的汽車問題的重要途徑。目前我國已經(jīng)在電動汽車方面較之前有了較大的發(fā)展，并且從長遠(yuǎn)來看電動汽車的發(fā)展是不可逆的趨勢。但是目前純電動汽車還存在著續(xù)航里程較短、電池價格較高等缺點(diǎn)。為了解決這些缺點(diǎn)，人們采取了很多措施，在這里我們想到利用太陽能發(fā)電來彌補(bǔ)電動汽車的這些缺點(diǎn)。

另外，隨著社會節(jié)奏的加快，人們的日常生活也日益繁忙。為了節(jié)省居民時間，減輕居民在辦理日常生活的麻煩，電動服務(wù)車應(yīng)運(yùn)而生。電動服務(wù)車主要的服務(wù)項目可以有自動售貨機(jī)，通信繳費(fèi)等等。在社區(qū)的使用可以大大方便居民的日常生活。本文就基于此種電動服務(wù)車來論述純電動汽車與太陽能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)合。

1 太陽能發(fā)電系統(tǒng)的原理

本文所論述太陽能發(fā)電系統(tǒng)是基于純電動汽車。即采用蓄電池作為動力的汽車。本文中所例舉的電動服務(wù)車電池為96v鉛酸蓄電池。

首先簡單介紹一下本車所用的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。太陽能發(fā)電系統(tǒng)是指能夠把光伏電池產(chǎn)生的電能直接提供給負(fù)載或儲能裝置的系統(tǒng)。它主要是由太陽能電池陣列、控制電路、蓄電池組和負(fù)載組成。它既可以提供直流電也可以提供交流電，兩種供電方式最主要的差別是系統(tǒng)在提供交流電時需要在負(fù)載和蓄電池組之間加入逆變器。

獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的工作過程是：有光照的時候，光伏電池組件受到太陽光照產(chǎn)生電能，產(chǎn)生的能量通過控制器以及逆變器的處理之后供給直流或交流負(fù)載工作。如果光照強(qiáng)烈且有富余的能量則給蓄電池組充電。如果在夜晚或是陰雨天的時候，太陽能電池組件產(chǎn)生的能量不能滿足負(fù)載工作需求，這時候儲存在蓄電池組的能量就可以供給直流或交流負(fù)載工作（工作過程見圖1）。

圖1 太陽能系統(tǒng)工作原理

2 本車太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

本車的太陽能發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成為：

1）太陽能電池板

2）控制器：包括充放電控制，最大功率點(diǎn)跟蹤控制

3）儲能裝置：利用電動車的動力電池

4）逆變器

5）負(fù)載：服務(wù)車上所需的電腦及其他用電設(shè)備

本車的發(fā)電系統(tǒng)原理簡圖見圖2

圖2 電動服務(wù)車原理圖

2.1 光伏電池陣列

光伏電池陣列是指能夠利用光伏效應(yīng)將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備，它應(yīng)該有足夠的輸出功率和輸出電壓供給負(fù)載工作使用。光伏方陣是由若干個太陽能電池組件（見圖3）串并聯(lián)連接構(gòu)成的陣列。太陽能電池組件在串并聯(lián)時有不同的要求。太陽能電池組件的并聯(lián)，要求所并聯(lián)的組件具有相同的輸出電壓等級，并聯(lián)后輸出電壓保持不變，而陣列的輸出電流為各光伏組件輸出電流之和；光伏電池組件的串聯(lián)，要求所串聯(lián)的組件具有相同的電流容量，串聯(lián)后其輸出的電流不發(fā)生改變，但陣列的輸出電壓為各光伏組件輸出電壓之和。在本系統(tǒng)中，由于要滿足系統(tǒng)電壓的需求（當(dāng)日照強(qiáng)烈時要能對蓄電池充電，故電池板陣列電壓和要大于儲能裝置電壓），并考慮到市場上銷售的電池板的電壓電流等的參數(shù)（本車上采用的電池板參數(shù)見圖4），這里采用的是光伏電池板的串聯(lián)。

圖3 太陽能電池板

2.1.1 電池板的選取

電池板的選取要考慮到車型、車身面積、動力系統(tǒng)電壓、使用何種負(fù)載及負(fù)載所消耗的功率、電池板在車身上的安裝位置、安裝面積等因素。

本車在選用電池板時考慮的因素有：

1本車所用蓄電池為96v鉛酸蓄電池，故電池板電壓輸出要大于96v。

2根據(jù)用電負(fù)載的要求：筆記本電腦、自動售貨機(jī)、打印機(jī)及電燈等的功率。

3根據(jù)單塊電池板的面積大小以及占用服務(wù)車的車身面積。

4盡量在光照正常的情況下不動用動力蓄電池的電量，并且盡量能有富余電量充入蓄電池。

根據(jù)以上要求綜合考慮后，在這里選取單塊板子100w功率，五塊相串聯(lián)得到500w的輸出功率。

單塊電池板的參數(shù)：

圖4 太陽能電池板的參數(shù)

2.1.2 電池板的安裝問題

綜合電池板的面積大小、使用個數(shù)以及服務(wù)車的車身大小，在這里的安裝方式為車頂安裝三塊，車身一側(cè)安裝兩塊。車頂?shù)娜龎K電池板也可以根據(jù)車頂面積的大小做成折疊式，在不需電池板發(fā)電時可以折疊便于保存。

圖5 為安裝示意圖（圖中 1、2、3、4、5標(biāo)記為電池板的安裝位置）：

圖5 電池板安裝示意圖

2.2 控制器

控制器的功能包括充放電控制和最大功率點(diǎn)跟蹤控制兩項功能。控制器在選取時參數(shù)應(yīng)與電池板的輸出功率以及電壓等相匹配。上述的兩個功能中，最大功率點(diǎn)追蹤控制對整個發(fā)電系統(tǒng)的高效工作起著至關(guān)重要的作用。

2.2.1 充放電控制

蓄電池組的充放電控制實(shí)質(zhì)上是一個DC/DC變換器裝置，它的工作原理主要是通過調(diào)節(jié)控制輸出電壓和電流有效的利用太陽能電池產(chǎn)生的電能來給蓄電池充電和防止蓄電池受過充、過放的損害，提高蓄電池組的使用壽命。

2.2.2 最大功率點(diǎn)控制

最大功率點(diǎn)跟蹤控制即MPPT控制，此控制主要的作用是使太陽能電池陣列能夠工作在最大功率點(diǎn)附近。

太陽能電池的輸出特性受電池溫度和日光強(qiáng)度等因素的影響，即使在外部環(huán)境穩(wěn)定的情況下，光伏電池的輸出功率也會隨著外部負(fù)載的變化而變化，只有當(dāng)外部負(fù)載與光伏器件達(dá)到阻抗匹配時光伏器件才會輸出最大功率，這時稱光伏器件工作在最大功率點(diǎn)(Maximum Power Point,簡稱MPPT)。光伏電池即非恒流源也不是恒壓源，而是一種非線性直流電源，通過不斷調(diào)節(jié)光伏器件的工作點(diǎn)實(shí)現(xiàn)使光伏電池始終工作在輸出最大功率的過程，即為光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)

2.3 逆變器

逆變器是在發(fā)電系統(tǒng)對交流負(fù)載供電時所必須的設(shè)備，因?yàn)樘柲茈姵厮峁┑氖侵绷麟?，而服?wù)車上所用負(fù)載皆需要用交流電方可工作，所以只有通過逆變器 DC/AC的轉(zhuǎn)換

直流-交流功率變換稱為逆變，交流輸出電壓除含有較大的基波成分外，還可能含有一定頻率和幅值的諧波，其基波頻率和幅值都是可以調(diào)節(jié)控制的，而且逆變器的輸出可以做成任意多相。但是在實(shí)際的應(yīng)用中大都只采用單相或三相。現(xiàn)在絕大多數(shù)的逆變器都采用的是全控制的電力半導(dǎo)體器件，中功率逆變器多采用 IGBT，大功率多用 GTO，小功率的則用PMOSFET。

本車所用逆變器需將直流變?yōu)?20v交流，逆變器型號參數(shù)與控制器、電池板輸出電壓、電流均需匹配。

2.4 儲能裝置

在光伏獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)中，儲能裝置是必不可少的。因?yàn)樘柲茈姵氐妮敵鎏匦噪S電池的溫度和日照強(qiáng)度的變化而變化，當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生變化時就有可能導(dǎo)致太陽能電池不能輸出足夠的功率，為了能滿足負(fù)載功率的要求，就必須要有儲能裝置。當(dāng)沒有充足的光照時，太陽能電池不能輸出足夠的能量，這就需要儲能裝置給負(fù)載提供電能。而在陽光充足時太陽能電池發(fā)出的電能對于負(fù)載又有可能是富余的，這時候就需要把多余的電能儲存起來。

在這里，與其他太陽能發(fā)電系統(tǒng)所不同的是，我們是將車上自帶的動力蓄電池作為儲能裝置。之采用動力電池作為儲能裝置，一是不需另外配置儲能裝置，既能節(jié)省開支又可減小所占用空間。二是能量存儲額度較大。三是可以在太陽光照充足，負(fù)載用電富余時可將一部分電存儲為動力電能，提高電動服務(wù)車的續(xù)航里程。同理，在太陽光照不足時，利用動力電池的電能供負(fù)載工作。

以上就是太陽能發(fā)電系統(tǒng)與社區(qū)電動服務(wù)車相結(jié)合的系統(tǒng)分析，針對不同的車型或配置上述發(fā)電系統(tǒng)可以有相應(yīng)的改變，以盡量滿足人們在生活中對電動汽車的要求。

結(jié)束語

隨著非可再生資源的枯竭以及燃油汽車造成的日益嚴(yán)重的污染，電動汽車在世界范圍內(nèi)正快速發(fā)展。但是電動汽車與生俱來的劣勢也亟須解決。本文以太陽能作為電動服務(wù)車的輔助能源，將太陽能發(fā)電系統(tǒng)與純電動汽車相結(jié)合，既發(fā)揮了純電動汽車的優(yōu)點(diǎn)，又將純電動汽車的缺點(diǎn)進(jìn)行了很大程度地改進(jìn)。通過以上的論述，證實(shí)將太陽能應(yīng)用在電動汽車上是可行的，如何將此系統(tǒng)進(jìn)行更進(jìn)一步的優(yōu)化來降低太陽能充電裝置的成本并提高充電效率又給我們提出了更高的要求。

[1]錢伯章，等.國內(nèi)可再生能源新聞[J].太陽能，2008，(9):59-60.

[2]陶建軍.太陽能電池組件的綜合應(yīng)用[J].能源技術(shù)，2008，29(5)：268-270.

[3]林珊.太剛能發(fā)電系統(tǒng)研究[D].廣東工業(yè)大學(xué)，1999年11月.

[4]趙為.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2003，4.

[5]鄭詩程.光伏發(fā)電系統(tǒng)及其控制的研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)研究生部.2005.

[6]李文婷，劉宏，陳慧玲.國內(nèi)外太陽能光伏發(fā)電發(fā)展綜述[J].青海電力，2004，23(4)：3-6.

[7]趙爭鳴，劉建政，孫曉瑛.太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[8]Dong-Yun Lee， Hyeong-Ju Noh， Dong-Seok Hyun，et al.An Improved MPPT Converter Using

CurrentCompensation Methed for Small Scaled PV Applications[Z].IEEE Apec’03，2003(1)：540-545.