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一種應(yīng)用于房車的光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究

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

　大量的化石能源應(yīng)用導(dǎo)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(shí)開發(fā)利用清潔能源 [1-2]。近年來，隨著我國對(duì)節(jié)能減排問題日漸重視，電力行業(yè)加強(qiáng)了對(duì)風(fēng)電、光伏發(fā)電、核電與水電等清潔能源領(lǐng)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(diǎn) [4]。近年來，隨著光伏發(fā)電技術(shù)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(dāng)前光伏發(fā)電呈現(xiàn)出 “規(guī)模化分散開發(fā)、低壓接入、就地消納”的局面，光伏發(fā)電技術(shù)成為較成熟的一項(xiàng)新能源發(fā)電技術(shù) [8] 。

　　在我國當(dāng)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(diǎn)多面廣的特點(diǎn) [9]。將光伏電力融入到現(xiàn)有配電網(wǎng)中，可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)重構(gòu)，而配電網(wǎng)重構(gòu)是優(yōu)化主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行方式的一種有效途徑 [10]。

　　根據(jù)運(yùn)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(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)2 種。當(dāng)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(dǎo)光伏發(fā)電系統(tǒng)遵循 “就近發(fā)電、就近并網(wǎng)、就近轉(zhuǎn)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(yùn)過程中的損耗問題。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)可獨(dú)立供電，具有用電方式靈活、系統(tǒng)安裝方便的特點(diǎn)，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(chǔ)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(dú)立發(fā)電功能相融合，使光伏發(fā)電系統(tǒng)同時(shí)具備并網(wǎng)和離網(wǎng)的功能，再與儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合，可有效抑制光伏電力自身存在的波動(dòng)性 [11-12]，從而可構(gòu)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(dú)立和并網(wǎng)這 2種狀態(tài)下運(yùn)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(shè)備使用，同時(shí)還可將剩余電量存儲(chǔ)在配置的蓄電池組中，供夜間或陰雨天時(shí)使用。但大部分應(yīng)用于房車的光伏發(fā)電系統(tǒng)配備的蓄電池組可存儲(chǔ)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(yīng)急供電措施；并且現(xiàn)有的應(yīng)用于房車的光伏發(fā)電系統(tǒng)大多數(shù)采用獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，在房車閑置時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)也處于閑置狀態(tài)，造成了能源浪費(fèi)?；诖耍疚慕榻B了一種同樣可以應(yīng)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(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行 2 種運(yùn)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(yīng)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(dú)立運(yùn)行模塊、并網(wǎng)運(yùn)行模塊和自動(dòng)升降支架組成。其中，獨(dú)立運(yùn)行模塊包括光伏控制器、智能轉(zhuǎn)換裝置、蓄電池組、動(dòng)力裝置、智能控制裝置和第一負(fù)載；并網(wǎng)運(yùn)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(fù)載和國家電網(wǎng)。根據(jù)應(yīng)用的重要等級(jí)，第一負(fù)載可分為一級(jí)負(fù)載和二級(jí)負(fù)載。該應(yīng)用于房車的光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)如圖 1 所示。

　　獨(dú)立運(yùn)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(dú)立運(yùn)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(zhuǎn)換裝置的輸入端相連，智能轉(zhuǎn)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(fù)載相連；蓄電池組和動(dòng)力裝置均與智能轉(zhuǎn)換裝置上的接入端口相連。該光伏發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)力裝置為柴油機(jī)，用于滿足陰雨天光伏電力不足時(shí)負(fù)載的用電需求。獨(dú)立運(yùn)行模塊下的第一負(fù)載指房車內(nèi)所有用電設(shè)備。

　　并網(wǎng)運(yùn)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(yùn)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(fù)載和國家電網(wǎng)相連。其中，光伏電表是用于計(jì)量光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電量，雙向電表是用于計(jì)量光伏上網(wǎng)電量和居民負(fù)載所用市電電量。并網(wǎng)運(yùn)行模塊下的第二負(fù)載指用戶住宅內(nèi)的用電設(shè)備。

　　該光伏發(fā)電系統(tǒng)通過光伏陣列將太陽能轉(zhuǎn)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(yùn)行模式自動(dòng)切換為獨(dú)立運(yùn)行模式或并網(wǎng)運(yùn)行模式。由于本應(yīng)用于房車的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合了并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)將光伏電力并入國家電網(wǎng)以獲得光伏發(fā)電補(bǔ)貼，使該光伏發(fā)電系統(tǒng)既實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保，又具備用途廣泛的優(yōu)勢(shì)。

2 應(yīng)用于房車的光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

　　由于本應(yīng)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(duì)房車結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，以便于光伏組件的安裝。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為通過自動(dòng)升降支架將光伏組件與車體連接。自動(dòng)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(dòng)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(duì)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(zhuǎn)動(dòng)。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(dòng)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(jìn)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(jié)構(gòu)，其第 1 個(gè)夾角是通過活動(dòng)桿與支撐板底面鉸接，第 2 個(gè)夾角是與液壓桿頂端軸接，第 3 個(gè)夾角是與車體頂部鉸接。由于三角形結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性好，而且調(diào)節(jié)桿與底座搭配，因此整個(gè)結(jié)構(gòu)不易變形，支撐的穩(wěn)定性好。調(diào)節(jié)桿使用時(shí)，液壓桿的收縮帶動(dòng)調(diào)節(jié)桿移動(dòng)，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(dòng)升降支架的支撐板上，自動(dòng)升降支架再與車體連接，調(diào)節(jié)支撐板的角度可實(shí)現(xiàn)光伏組件安裝傾角的調(diào)節(jié)。自動(dòng)升降支架的操作方便，自動(dòng)升降過程省時(shí)省力，可以隨時(shí)調(diào)整光伏組件的安裝傾角，以保證光伏陣列隨時(shí)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(yīng)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(yīng)用于房車的光伏發(fā)電系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

3.1 獨(dú)立運(yùn)行模式

　　當(dāng)駕駛房車出門旅行時(shí)，本光伏發(fā)電系統(tǒng)可采用獨(dú)立運(yùn)行模式運(yùn)行，光伏電力可為車內(nèi)負(fù)載供電。在該運(yùn)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(zhuǎn)換裝置和智能控制裝置給車內(nèi)直流負(fù)載供電。智能轉(zhuǎn)換裝置可以控制蓄電池組的充、放電，并可對(duì)蓄電池組的放電深度進(jìn)行控制；同時(shí)，智能轉(zhuǎn)換裝置留有柴油機(jī) ( 即動(dòng)力裝置 ) 接入端口，以應(yīng)對(duì)應(yīng)急供電。智能控制裝置用于控制車內(nèi)負(fù)載的供電。

　　在獨(dú)立運(yùn)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(yùn)行時(shí)，光伏電力為車內(nèi)的負(fù)載供電，剩余電量通過智能轉(zhuǎn)換裝置儲(chǔ)存到蓄電池組內(nèi)；

　　2) 當(dāng)陰雨天光伏電力不足以供給車內(nèi)負(fù)載時(shí)，蓄電池組開始放電，以補(bǔ)充所需電量；

　　3) 當(dāng)蓄電池組放電深度即將達(dá)到預(yù)設(shè)的極限值時(shí)，智能控制裝置自動(dòng)切斷二級(jí)負(fù)載的供電，只向一級(jí)負(fù)載供電；

　　4) 當(dāng)蓄電池組放電深度達(dá)到預(yù)設(shè)的極限值時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警，智能轉(zhuǎn)換裝置啟動(dòng)柴油機(jī)供電模式，由柴油機(jī)發(fā)電為車內(nèi)負(fù)載供電，同時(shí)柴油機(jī)還可以通過智能轉(zhuǎn)換裝置給蓄電池組充電。

3.2 并網(wǎng)運(yùn)行模式

　　當(dāng)房車不使用而是在家閑置時(shí)，本光伏發(fā)電系統(tǒng)可采用并網(wǎng)運(yùn)行模式運(yùn)行，此時(shí)光伏陣列所發(fā)直流電經(jīng)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)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(fù)載供電，供電后的盈余電力可并入國家電網(wǎng)。

3.3 小結(jié)

　　采用上述運(yùn)行模式方案后，應(yīng)用于房車的光伏發(fā)電系統(tǒng)既能獨(dú)立運(yùn)行又能并網(wǎng)運(yùn)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(shí)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(yīng)用于房車的光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性分析

　　以長城覽眾牌 C5 系列房車為例，對(duì)該房車頂部安裝此光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)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(jī)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(dú)立運(yùn)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(yùn)行模塊的成本為 3000 元，整體施工費(fèi)用為 1500 元。

　　光伏組件平鋪在房車頂部時(shí)，自動(dòng)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(yīng)超過 5.00 m；在其他道路上，通行車輛的凈空高度不應(yīng)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(dāng)于燃燒 660 L 汽油產(chǎn)生的電量，按照 5.8 元 /L 的汽油價(jià)格計(jì)算，每年可節(jié)約 3828 元購買汽油的費(fèi)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(jì)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(jié)論

　　本文介紹了一種可應(yīng)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(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行 2 種運(yùn)行模式。當(dāng)出門旅行時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)可采用獨(dú)立運(yùn)行模式運(yùn)行，其所發(fā)電力可為車內(nèi)負(fù)載供電；當(dāng)房車不使用而是在家閑置時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)可采用并網(wǎng)運(yùn)行模式運(yùn)行，其所發(fā)電力可為居民負(fù)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(bǔ)貼。通過實(shí)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(shí)間即可回收，還可以持續(xù)創(chuàng)造 22 年的經(jīng)濟(jì)收益，經(jīng)濟(jì)性較好。

　　由于我國存在大量的報(bào)廢公交車且無處安置，但大部分報(bào)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(shè)計(jì)方案，除了可以在房車上安裝以外，還可以安裝在報(bào)廢公交車的殼體上并進(jìn)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(diǎn)，為游客提供電力。這樣既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)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(chǎng)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(duì)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(yīng)用方式提供思路。