電動(dòng)汽車光伏充電樁相關(guān)問題探討

張波　汪義旺

[摘要]文章探討了我國光伏產(chǎn)業(yè)和新能源電動(dòng)汽車充電樁（站）行業(yè)市場現(xiàn)狀及在國家相關(guān)政策推動(dòng)下的發(fā)展趨勢，分析了獨(dú)立光伏充電樁（站）和并網(wǎng)光伏充電樁（站）的構(gòu)成及各自特點(diǎn)，結(jié)合自身的實(shí)踐可知，光伏充電樁（站）在應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染中意義重大，條件允許應(yīng)優(yōu)先建設(shè)。

[關(guān)鍵詞]電動(dòng)汽車；光伏充電樁；光伏發(fā)電；新能源

[DOI]1013939/jcnkizgsc201815062

1光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)代社會(huì)，能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日益突出。人們因此將目光逐漸投向清潔無污染的可再生能源。太陽光有著取之不盡、用之不竭、存在廣泛等許多優(yōu)點(diǎn)，是新能源利用研究的熱點(diǎn)。光伏電池基于光生伏特效應(yīng)進(jìn)行工作。由太陽光的光量子與材料相互作用而產(chǎn)生電勢，從而把光的能量轉(zhuǎn)換成電能，此種進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化的光電元件稱為太陽電池，也可稱之為光伏電池。[1]光伏電池按材料包括：晶硅電池（含多晶硅和單晶硅兩類），硅基薄膜電池，多元化合物薄膜電池，染料敏化納米晶電池，有機(jī)聚合物電池行等。目前晶硅電池在市場上占主流地位。目前，多晶硅組件效率的市場準(zhǔn)入門檻為16%：156×156規(guī)格多晶硅60片，相當(dāng)于組件功率265W；單晶硅組件效率的市場準(zhǔn)入門檻為168%：156×156規(guī)格多晶硅60片，相當(dāng)于組件功率275W。單晶硅比多晶硅光電轉(zhuǎn)效率要稍高一些，但價(jià)格高出不少，性價(jià)比上單晶硅并不占優(yōu)勢，因此市場上多晶硅應(yīng)用要比單晶硅多。目前產(chǎn)業(yè)化的硅電池組件效率可達(dá)20%，但硅電池的理論光電轉(zhuǎn)換效率為298%，[2]技術(shù)上還有不少的提升空間。光伏電池既不是恒壓源也不是恒流源，從其工作特性上可以看出在一定的光照和溫度下其有且只有一個(gè)最大功率輸出點(diǎn)。由于目前光伏成本都不低，如何讓光伏電池在不同的光照和溫度下始終都工作在其最大功率點(diǎn)上以降低系統(tǒng)成本是光伏系統(tǒng)都要解決的問題。這就是所謂的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）。

我國是全球光伏制造業(yè)的巨人。2007年我國成為光伏電池產(chǎn)量最多的國家，但當(dāng)時(shí)主要是出口居多；隨著市場需求的推進(jìn)和相關(guān)政策支持，2013年中國光伏裝機(jī)總量超越美國成為全球第一大光伏裝機(jī)市場，至此中國不僅光伏組件產(chǎn)量世界第一，光伏裝機(jī)總量也為世界第一，這種狀態(tài)一直持續(xù)至今，預(yù)計(jì)今后一段時(shí)間內(nèi)這種狀況都將持續(xù)下去。光伏行業(yè)技術(shù)進(jìn)步明顯，系統(tǒng)效率不斷提升的同時(shí)，系統(tǒng)成本持續(xù)下降行業(yè)預(yù)計(jì)2020年將實(shí)現(xiàn)用電側(cè)平價(jià)上網(wǎng)，2025年將實(shí)現(xiàn)發(fā)電側(cè)平價(jià)上網(wǎng)，光伏發(fā)電將分階段逐步取消補(bǔ)貼。

截至2017年12月，我國光伏累計(jì)裝機(jī)已超過120GW。2017年7月19日，國家能源局發(fā)布“可再生能源發(fā)展‘十三五規(guī)劃實(shí)施的指導(dǎo)意見”中指出：2017—2020年光伏電站新增規(guī)劃裝機(jī)（包括32GW領(lǐng)跑者計(jì)劃）865GW，分布式光伏新裝機(jī)共60GW，另外不限規(guī)模7省市將新增10GW，戶用和村級(jí)扶貧將新增15GW。由此可見我國光伏產(chǎn)業(yè)在經(jīng)歷了快速發(fā)展和短暫的低谷期后，在市場和政策的驅(qū)動(dòng)下會(huì)迎來一段健康發(fā)展之路。

2電動(dòng)汽車與充電樁

隨著我國社會(huì)發(fā)展和人們生活水平的提高，汽車產(chǎn)銷量連續(xù)幾年世界第一，機(jī)動(dòng)車保有量快速增長。機(jī)動(dòng)車在給人們提供便利的同時(shí)，加速了石化能源的消耗，加重了環(huán)境污染。電動(dòng)新能源汽車以電代油，可以實(shí)現(xiàn)零排放，在世界范圍內(nèi)得到廣泛發(fā)展。我國也出臺(tái)了許多新能源電動(dòng)汽車的扶持政策，最直觀的感受便是購車補(bǔ)貼、購置稅優(yōu)惠、免費(fèi)優(yōu)先上牌等。2015年3月，國務(wù)院辦公廳頒布的《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》中指出，到2020年我國要實(shí)現(xiàn)500萬輛新能源汽車發(fā)展目標(biāo)，充換電站數(shù)量達(dá)到12萬個(gè)，充電樁達(dá)到480萬個(gè)。根據(jù)相關(guān)指導(dǎo)意見中，建設(shè)時(shí)“樁站先行”，新建住宅配建停車位應(yīng)100%建設(shè)充電設(shè)施或預(yù)留建設(shè)安裝條件，大型公共建筑物配建停車場、社會(huì)公共停車場建設(shè)充電設(shè)施或預(yù)留建設(shè)安裝條件的車位比例不低于10%，每2000輛電動(dòng)汽車至少配套建設(shè)一座公共充電站?？梢灶A(yù)見，電動(dòng)汽車充電設(shè)施今后一段時(shí)間內(nèi)將繼續(xù)快速發(fā)展。

電動(dòng)汽車充電從充電方式上來說有快充、慢充、無線充電、換電四種方式?？斐?，充電功率大，充電電流大，充電時(shí)間短，充電時(shí)間一般為20分鐘到2小時(shí)；慢充與快充對(duì)應(yīng)，充電時(shí)間一般為5～10小時(shí)；無線充電為非接觸式充電，隨著技術(shù)的發(fā)展目前已從實(shí)驗(yàn)室到示范應(yīng)用階段，但充電效率偏低，目前市場上很少見；換電方式是直接用充滿電的電池更換電能耗得差不多的電池，速度很快，但只適用于汽車電池型號(hào)相同且汽車歸屬同一個(gè)法人的對(duì)象，例如公交公司或汽車租賃公司。電動(dòng)汽車充電樁分為交流充電樁和直流充電樁兩類。交流充電樁提供交流電，依賴車載充電系統(tǒng)對(duì)電池充電，常見功率有33kW（適合家用）、7kW、22kW等，功率都相對(duì)比較小，屬于慢充。直流充電樁提供直流電，直接對(duì)蓄電池充電，但要與車載BMS系統(tǒng)匹配。直流充電功率通常很大，如45kW、60kW、120kW、150kW等，絕大部分都屬于快充，但也有功率相對(duì)較小的直流慢充。充電設(shè)施將由快充和換電逐漸向慢充為主、快充為輔的方向發(fā)展。

3光伏充電樁（站）建設(shè)相關(guān)問題

一方面，電動(dòng)新能源汽車存在續(xù)航里程短、充電速度慢、充電不方便等許多缺點(diǎn)。電動(dòng)汽車充電等相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與完善與電動(dòng)汽車的推廣普及相互促進(jìn)，也可以說在某種程度上決定著電動(dòng)汽車的推廣普及。另一方面目前我國一次電力供應(yīng)中大概有80%來自火力發(fā)電，從能源源頭來說，使用電動(dòng)汽車節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)不出來。[3]因此使用新能源特別是光伏充電樁越來越受重視。

光伏充電樁（站）是利用光照條件允許的現(xiàn)有停車場地建設(shè)光伏車棚，利用光伏車棚發(fā)的電為電動(dòng)汽車充電。光伏車棚既不再占用土地資源，而且還能為停入的汽車遮風(fēng)擋雨。光伏充電樁（站）分為獨(dú)立光伏充電樁（站）和并網(wǎng)光伏充電樁（站）兩種。獨(dú)立光伏充電樁（站）不與國家電網(wǎng)相連，是由光伏車棚發(fā)出來的，通常要配置儲(chǔ)能系統(tǒng)。白天光線好時(shí)發(fā)電直接對(duì)電動(dòng)汽車充電或直接給儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，光線稍差光伏電池功率不足時(shí)儲(chǔ)能能系統(tǒng)和光伏電池可同時(shí)對(duì)電動(dòng)汽車充電，光線很差時(shí)由儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)汽車充電。例如安裝33kW晶硅電池，按一天光照10小時(shí)計(jì)算，配以33kW直流充電樁即可滿足一輛電動(dòng)汽車實(shí)行慢充充電?？紤]一定裕量，系統(tǒng)配以20kWh儲(chǔ)能電池（滿足兩輛車充電的能量）。如果停車場場地足夠大，就可建快充充電樁，也可以同時(shí)配置快充和慢充充電樁。光伏電池、儲(chǔ)能系統(tǒng)電池和電動(dòng)汽車電池都是直流電，工作時(shí)只需一次DC/DC變換即可，易于匹配，一次變換系統(tǒng)效率高，這是獨(dú)立光伏充電樁（站）的優(yōu)點(diǎn)，但獨(dú)立光伏充電樁存在連續(xù)陰雨天無法為電動(dòng)汽車提供足夠充電電能和晴好天氣時(shí)儲(chǔ)能電池充滿電而導(dǎo)致光伏電池發(fā)電浪費(fèi)的情況。并網(wǎng)光伏充電樁接入電網(wǎng)，可以避免獨(dú)立電站存在的不足。但并網(wǎng)光伏充電樁（站）需要配以雙向逆變器。光伏電池發(fā)電功率大于電動(dòng)汽車充電所需或沒有電動(dòng)汽車來充電時(shí)，雙向逆變器將光伏電池的直流電變成和電網(wǎng)同頻率的交流電，將多余的功率送給電網(wǎng)，賣電給電網(wǎng)；光線差，光伏電池發(fā)電功率不能滿足電動(dòng)汽車充電需求時(shí)，雙向逆變器將電網(wǎng)交流電變成直流電，和光伏電池一道對(duì)電動(dòng)汽車充電。[4]并網(wǎng)光伏充電樁（站）可隨時(shí)隨地給電動(dòng)汽車充電，且不會(huì)浪費(fèi)光伏電池功率，但系統(tǒng)復(fù)雜。并網(wǎng)光伏充電樁（站）可以配儲(chǔ)能系統(tǒng)也可以不配儲(chǔ)能系統(tǒng)。配了儲(chǔ)能系統(tǒng)的光伏電站可在一定程度上起到對(duì)電網(wǎng)“削峰填谷”的作用。

江蘇省光伏發(fā)電工程技術(shù)研究開發(fā)中心在蘇州市職業(yè)大學(xué)建成了示范研究性的獨(dú)立光伏充電樁。系統(tǒng)配置如下：66kW單晶硅太陽能電池，33kW直流充電樁一個(gè)，66kW/33kW（兩種功率可切換）充電樁一個(gè)，充電樁都帶有MPPT功能，儲(chǔ)能系統(tǒng)總?cè)萘?0kWh。為解決光伏電池存在功率浪費(fèi)的問題，系統(tǒng)后來又增加了電動(dòng)自行車充電裝置，條件允許下開放為電動(dòng)自行車提供充電服務(wù)。目前光伏充電樁運(yùn)行良好。

4結(jié)論

電動(dòng)汽車光伏充電樁（站）建設(shè)是光伏發(fā)電和新能源電動(dòng)汽車的結(jié)合點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)清潔可再生的光伏發(fā)電的同時(shí)還可促進(jìn)新能源電動(dòng)汽車的普及，應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染中意義重大。在光照條件允許的停車場特別電力供應(yīng)緊張的地區(qū)可優(yōu)先考慮建設(shè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]成志秀，王曉麗太陽能光伏電池綜述[J].信息記錄材料，2007，8（2）：41-47.

[2]TIEDJE T，YABLONOVITCH E，CODY G D，et al.Limiting efficiency of silicon solar cells[J].IEEE Transactions on Electron Device 1984，31（5）：711-716.

[3]洪亮電動(dòng)汽車并網(wǎng)光伏充電站的研制[J].西藏科技，2016（10）：70-73.

[4]張波，梁凡車載逆變電源的研究與設(shè)計(jì)[J].中國市場，2015（45）：71-72.

[基金項(xiàng)目]蘇州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：SS201520）；蘇州市職業(yè)大學(xué)“青藍(lán)工程”資助項(xiàng)目。

[作者簡介]張波（1979—），男，漢族，湖北棗陽人，副教授，碩士，研究方向：電力電子技術(shù)。