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一種應用于房車的光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究

返回列表 來源：漸進投研發(fā)布日期： 2024.01.13 瀏覽次數(shù)：

　大量的化石能源應用導致全球范圍內(nèi)的環(huán)境污染問題不斷惡化，因此需要在減少化石能源使用的同時開發(fā)利用清潔能源 [1-2]。近年來，隨著我國對節(jié)能減排問題日漸重視，電力行業(yè)加強了對風電、光伏發(fā)電、核電與水電等清潔能源領域的投資 [3]。

　　其中，光伏發(fā)電具有清潔、環(huán)保、資源分布不受地域限制等優(yōu)點 [4]。近年來，隨著光伏發(fā)電技術的高速發(fā)展及國家政策的大力支持，光伏產(chǎn)業(yè)得到了很大程度的發(fā)展 [5-7]，當前光伏發(fā)電呈現(xiàn)出 “規(guī)?；稚㈤_發(fā)、低壓接入、就地消納”的局面，光伏發(fā)電技術成為較成熟的一項新能源發(fā)電技術 [8] 。

　　在我國當前的電力系統(tǒng)中，配電網(wǎng)是從輸電網(wǎng)獲取電能并將電能配送到用戶的重要環(huán)節(jié)，具有點多面廣的特點 [9]。將光伏電力融入到現(xiàn)有配電網(wǎng)中，可以實現(xiàn)配電網(wǎng)重構，而配電網(wǎng)重構是優(yōu)化主動配電網(wǎng)運行方式的一種有效途徑 [10]。

　　根據(jù)運行模式的不同，光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)2 種。當前，雖然并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電力可接入國家電網(wǎng)，但國家電網(wǎng)倡導光伏發(fā)電系統(tǒng)遵循 “就近發(fā)電、就近并網(wǎng)、就近轉換、就近使用”的原則，以有效解決光伏電力在升壓及長距離輸運過程中的損耗問題。獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)可獨立供電，具有用電方式靈活、系統(tǒng)安裝方便的特點，其所發(fā)電力不接入國家電網(wǎng)，在完成供電后可將剩余的光伏電力儲存在配套的蓄電池內(nèi)，從而使光伏電力得到充分利用。若將并網(wǎng)發(fā)電與獨立發(fā)電功能相融合，使光伏發(fā)電系統(tǒng)同時具備并網(wǎng)和離網(wǎng)的功能，再與儲能技術相結合，可有效抑制光伏電力自身存在的波動性 [11-12]，從而可構建近似微電網(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)，此類發(fā)電系統(tǒng)是一種可充分利用新能源電力的新型系統(tǒng)形式，具備交、直流靈活供電模式，并可在獨立和并網(wǎng)這 2種狀態(tài)下運行 [13]。

　　目前，有些房車車頂安裝了光伏發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)所發(fā)的直流電經(jīng)過光伏控制器后可供車內(nèi)電氣設備使用，同時還可將剩余電量存儲在配置的蓄電池組中，供夜間或陰雨天時使用。但大部分應用于房車的光伏發(fā)電系統(tǒng)配備的蓄電池組可存儲的電量有限，在連續(xù)陰雨天，或光伏電力不足但蓄電池組又無法滿足供電需求的情況下，無其他應急供電措施；并且現(xiàn)有的應用于房車的光伏發(fā)電系統(tǒng)大多數(shù)采用獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，在房車閑置時，光伏發(fā)電系統(tǒng)也處于閑置狀態(tài)，造成了能源浪費?；诖耍疚慕榻B了一種同樣可以應用于房車的光伏發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝在房車的車頂，具備并網(wǎng)運行和獨立運行 2 種運行模式，并配備了蓄電池組。此類光伏發(fā)電系統(tǒng)類似于微電網(wǎng)，可充分利用光伏電力。

1 整體解決方案

　　本文提出的應用于房車的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、切換裝置、獨立運行模塊、并網(wǎng)運行模塊和自動升降支架組成。其中，獨立運行模塊包括光伏控制器、智能轉換裝置、蓄電池組、動力裝置、智能控制裝置和第一負載；并網(wǎng)運行模塊包括并網(wǎng)逆變器、交流配電箱、光伏電表、雙向電表、第二負載和國家電網(wǎng)。根據(jù)應用的重要等級，第一負載可分為一級負載和二級負載。該應用于房車的光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體設計如圖 1 所示。

　　獨立運行模塊的連接方式為：該光伏發(fā)電系統(tǒng)的切換裝置的輸出端與獨立運行模塊中光伏控制器的輸入端相連，光伏控制器的輸出端與智能轉換裝置的輸入端相連，智能轉換裝置的輸出端與智能控制裝置的輸入端相連，最終智能控制裝置的輸出端與第一負載相連；蓄電池組和動力裝置均與智能轉換裝置上的接入端口相連。該光伏發(fā)電系統(tǒng)的動力裝置為柴油機，用于滿足陰雨天光伏電力不足時負載的用電需求。獨立運行模塊下的第一負載指房車內(nèi)所有用電設備。

　　并網(wǎng)運行模塊的連接方式為：該光伏發(fā)電系統(tǒng)的切換裝置的輸出端與并網(wǎng)運行模塊中并網(wǎng)逆變器的輸入端相連，并網(wǎng)逆變器的輸出端與交流配電箱的輸入端相連，交流配電箱的輸出端與光伏電表的輸入端相連，光伏電表的輸出端與雙向電表的輸入端相連，雙向電表的輸出端與第二負載和國家電網(wǎng)相連。其中，光伏電表是用于計量光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電量，雙向電表是用于計量光伏上網(wǎng)電量和居民負載所用市電電量。并網(wǎng)運行模塊下的第二負載指用戶住宅內(nèi)的用電設備。

　　該光伏發(fā)電系統(tǒng)通過光伏陣列將太陽能轉換為電能，然后利用切換裝置可以將光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行模式自動切換為獨立運行模式或并網(wǎng)運行模式。由于本應用于房車的光伏發(fā)電系統(tǒng)結合了并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點，所以其既可以在無電區(qū)域內(nèi)自行供電，又可以在光伏電力盈余時將光伏電力并入國家電網(wǎng)以獲得光伏發(fā)電補貼，使該光伏發(fā)電系統(tǒng)既實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保，又具備用途廣泛的優(yōu)勢。

2 應用于房車的光伏發(fā)電系統(tǒng)的結構設計方案

　　由于本應用于房車的光伏發(fā)電系統(tǒng)是安裝在房車車頂，因此需對房車結構進行改造，以便于光伏組件的安裝。本系統(tǒng)設計為通過自動升降支架將光伏組件與車體連接。自動升降支架由底座、支撐板和支撐桿組成，其可以調(diào)節(jié)光伏組件的安裝傾角，使光伏陣列能最大限度地接收太陽光，從而提高光伏陣列的發(fā)電量。

自動升降支架的底座為中空的四邊形，支撐板架在底座上，底座對支撐板起到支撐作用，支撐板的一端與底座通過固定軸相連，且支撐板可以以固定軸為中心轉動。支撐桿固定在底座內(nèi)，其一端與支撐板底面鉸接，另一端與車體頂部鉸接，通過支撐桿的伸縮可以調(diào)節(jié)支撐板與水平面之間夾角的大小。支撐桿包括液壓桿、活動桿和調(diào)節(jié)桿，其是通過液壓桿的收縮來調(diào)整調(diào)節(jié)桿的位置，進而調(diào)節(jié)支撐板與水平面之間夾角的大小。調(diào)節(jié)桿為三角形結構，其第 1 個夾角是通過活動桿與支撐板底面鉸接，第 2 個夾角是與液壓桿頂端軸接，第 3 個夾角是與車體頂部鉸接。由于三角形結構的穩(wěn)定性好，而且調(diào)節(jié)桿與底座搭配，因此整個結構不易變形，支撐的穩(wěn)定性好。調(diào)節(jié)桿使用時，液壓桿的收縮帶動調(diào)節(jié)桿移動，使支撐板與車頂平面之間的夾角大小發(fā)生變化。

　　光伏陣列安裝在自動升降支架的支撐板上，自動升降支架再與車體連接，調(diào)節(jié)支撐板的角度可實現(xiàn)光伏組件安裝傾角的調(diào)節(jié)。自動升降支架的操作方便，自動升降過程省時省力，可以隨時調(diào)整光伏組件的安裝傾角，以保證光伏陣列隨時處在最佳的接收太陽光的角度，增加光伏陣列接收的太陽輻射量，從而提高其發(fā)電量。

　　應用于房車的光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏陣列的安裝效果示意圖如圖 2 所示。

3 應用于房車的光伏發(fā)電系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

3.1 獨立運行模式

　　當駕駛房車出門旅行時，本光伏發(fā)電系統(tǒng)可采用獨立運行模式運行，光伏電力可為車內(nèi)負載供電。在該運行模式下，光伏陣列所發(fā)電量經(jīng)光伏控制器處理后，通過智能轉換裝置和智能控制裝置給車內(nèi)直流負載供電。智能轉換裝置可以控制蓄電池組的充、放電，并可對蓄電池組的放電深度進行控制；同時，智能轉換裝置留有柴油機 ( 即動力裝置 ) 接入端口，以應對應急供電。智能控制裝置用于控制車內(nèi)負載的供電。

　　在獨立運行模式下，本光伏發(fā)電系統(tǒng)存在以下幾種工作方式：

　　1) 在光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運行時，光伏電力為車內(nèi)的負載供電，剩余電量通過智能轉換裝置儲存到蓄電池組內(nèi)；

　　2) 當陰雨天光伏電力不足以供給車內(nèi)負載時，蓄電池組開始放電，以補充所需電量；

　　3) 當蓄電池組放電深度即將達到預設的極限值時，智能控制裝置自動切斷二級負載的供電，只向一級負載供電；

　　4) 當蓄電池組放電深度達到預設的極限值時，光伏發(fā)電系統(tǒng)進行預警，智能轉換裝置啟動柴油機供電模式，由柴油機發(fā)電為車內(nèi)負載供電，同時柴油機還可以通過智能轉換裝置給蓄電池組充電。

3.2 并網(wǎng)運行模式

　　當房車不使用而是在家閑置時，本光伏發(fā)電系統(tǒng)可采用并網(wǎng)運行模式運行，此時光伏陣列所發(fā)直流電經(jīng)并網(wǎng)逆變器轉換為交流電，然后通過交流配電箱可為小區(qū)內(nèi)居民的負載供電，供電后的盈余電力可并入國家電網(wǎng)。

3.3 小結

　　采用上述運行模式方案后，應用于房車的光伏發(fā)電系統(tǒng)既能獨立運行又能并網(wǎng)運行，節(jié)能環(huán)保，既可以在無外部電力的情況下保證房車的正常使用，又能在電力盈余時將光伏電力并入國家電網(wǎng)，使光伏電力得到了充分利用。

4 應用于房車的光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟可行性分析

　　以長城覽眾牌 C5 系列房車為例，對該房車頂部安裝此光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟可行性進行分析。該房車頂部的長度為 4.5 m、寬度為 2 m，可安裝 4 塊尺寸為 1684 mm ×1002 mm 的光伏組件，總裝機容量為 1420 W。安裝此光伏發(fā)電系統(tǒng)的總成本約為 11500 元，其中，光伏陣列與切換裝置的成本為 4000 元，獨立運行模塊的成本為 3000 元 ( 蓄電池組采用房車原有蓄電池組 )，并網(wǎng)運行模塊的成本為 3000 元，整體施工費用為 1500 元。

　　光伏組件平鋪在房車頂部時，自動升降支架與光伏陣列的總高度為 0.20 m；房車自身高度為 3.03 m，因此安裝該光伏發(fā)電系統(tǒng)后房車的總高度為 3.23 m。根據(jù)國家規(guī)定，一般在城市快速道路、主干道路上，通行車輛的凈空高度不應超過 5.00 m；在其他道路上，通行車輛的凈空高度不應超過 4.50 m。因此，安裝該光伏發(fā)電系統(tǒng)后房車不存在限高問題，可以安全通行。

　　在理想條件下，該光伏發(fā)電系統(tǒng)的年均發(fā)電量約為 1660 kWh ，相當于燃燒 660 L 汽油產(chǎn)生的電量，按照 5.8 元 /L 的汽油價格計算，每年可節(jié)約 3828 元購買汽油的費用。綜合分析，在房車車頂安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本回收年限約為 3 年，若光伏發(fā)電系統(tǒng)的生命周期按 25 年計算，則在剩下的 22 年的生命同期內(nèi)，可以創(chuàng)造約 8.4 萬元的收益。

5 結論

　　本文介紹了一種可應用于房車的光伏發(fā)電系統(tǒng)，該光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝在房車車頂，具有并網(wǎng)運行和獨立運行 2 種運行模式。當出門旅行時，光伏發(fā)電系統(tǒng)可采用獨立運行模式運行，其所發(fā)電力可為車內(nèi)負載供電；當房車不使用而是在家閑置時，光伏發(fā)電系統(tǒng)可采用并網(wǎng)運行模式運行，其所發(fā)電力可為居民負載供電，供電后的盈余電量可以上傳至國家電網(wǎng)，可獲得光伏發(fā)電補貼。通過實際案例分析可知，安裝該光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本僅需要約 3 年時間即可回收，還可以持續(xù)創(chuàng)造 22 年的經(jīng)濟收益，經(jīng)濟性較好。

　　由于我國存在大量的報廢公交車且無處安置，但大部分報廢公交車的殼體框架還是完好的，因此充分利用這部分殼體可以變廢為寶。本文提出的光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計方案，除了可以在房車上安裝以外，還可以安裝在報廢公交車的殼體上并進行改造，然后將整體改造后的公交車安置在海邊等旅游景點，為游客提供電力。這樣既可以實現(xiàn)對報廢公交車的再利用，又可以得到收益，兩全其美。

　　綜上可知，本文的研究內(nèi)容具有廣闊的市場發(fā)展空間，而且光伏發(fā)電作為一種綠色環(huán)保的清潔能源電力，對于我國的大氣治理、環(huán)保、節(jié)能的發(fā)展具有重要意義，以期通過本研究為光伏發(fā)電更廣泛的應用方式提供思路。