电动汽车用光伏充电系统投资效益分析

山东省热电设计院 ■ 刘冉

0 引言

2012年Tesla汽车公司发布了Tesla Model S车型，其超长续航，百公里加速不仅使Tesla火遍全球，也让电动汽车重新回到了大众视野。电动汽车不再使用传统的化石能源来驱动汽车，而是直接利用电能，没有尾气排放且能源利用效率高，无疑成为绿色出行的好工具。

电动汽车用光伏充电系统就是利用光伏发电来为汽车蓄电池充电，这将比单纯的电动汽车或光伏发电更加节能，带来可观的经济效益和社会效益。

1 系统介绍

1.1 光伏发电系统组成

根据电动汽车的实际使用情况，大部分充电时间应集中在晚上，即发电和充电时间是错位的。光伏发电系统的电能是无法直接给电动车充电的，实际应用应是白天光伏系统发电上网，晚上从电网取电给电车充电。还可利用蓄电池储能，但是大量的蓄电池价格昂贵，体积大，本文未予考虑。

因此，本文中电动汽车用光伏充电系统是由一套分布式光伏发电上网系统和一辆电动汽车充电装置组成。分布式光伏发电上网系统由光伏组件、逆变器、双向计量表等组成。

光伏组件能将光能转化为电能，输出直流电，而逆变器将直流电逆变为380 V交流电。为了节约成本，光伏组件的安装容量是根据电动车的不同日均行驶里程配置，目的是实现光伏发电系统每天的发电量可满足电动汽车用电量的需求。最后，要通过双向计量表与电网相连，这样既可得到光伏发电系统输送到电网的发电量，又可得到用户充电时的耗电量，是一种非常成熟的分布式光伏发电系统模式，已在国内很多分布式光伏发电项目中获得应用。

1.2 国家对于分布式发电的补贴

国家完善光伏发电价格政策[1]对分布式光伏发电项目实行按照发电量进行电价补贴的政策，电价补贴标准为0.42元/kWh。

以山东电网为例，根据山东省物价局关于电价调整有关事项的通知(鲁价格一发[2014]122号)[2]，电力火电厂脱硫标杆电价为0.45元/kWh，则光伏发电上网电价=火电脱硫标杆电价+分布式发电补贴=0.45+0.42=0.87元/kWh。而居民用电电价[3](即晚上充电时电价)约为0.55元/kWh，所以，使用光伏发电系统为电动汽车充电每度电可获得收益为0.87–0.55=0.32元。

1.3 电动汽车参数

表1为Tesla Model S的详细参数。

表1 Tesla Model S详细参数

根据表1 给出的Tesla官方参数，以85 kWh容量的版本为例，E为电动汽车存储电量，kWh；L为续航里程，则每km能耗为：

胡家庄稀土矿床位于莱芜弧形断裂弧顶的北侧[4]，地层出露寒武—奥陶纪沉积岩及第四纪残坡积物，其中以寒武系为主。寒武—奥陶系分布于该区的北部，地层NW—SE向分布，倾向NE。矿床受控于NW向的鹿野-孙祖断裂[5]，破裂面向W倾斜，水平错动较为明显，为压扭性断裂，其成因与此断裂密切相关。岩浆活动有2期，第1期为新太古代晚期，有花岗质岩浆侵入，生成了花岗岩及伟晶岩；第2期以中生代燕山晚期碳酸岩型岩浆为主的侵入，为碳酸岩、蛭石化含磷灰石云母岩等。矿体赋存于碳酸岩中，其围岩为泥质灰岩。

2 光伏装机容量和成本计算

2.1 气象条件

以济南地区(北纬36.67°，东经117°，海拔259 m)为例，地表反射率为0.2。由Meteonorm测得的数据如表2所示。

表2 济南地区辐照量数据

2.2 每W发电量计算

计算依据主要为GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》[4]中第6.6章节“发电量计算”。光伏发电站上网电量计算式为：

式中，Ep为上网发电量，kWh；HA为水平面太阳能总辐照量(峰值小时数)，kWh/m²；Es为标准条件下的辐照度(常数=1 kW/m²)；PAZ为组件安装容量，kWp；K为综合效率系数，综合效率系数K包括：光伏组件类型修正系数，光伏方阵的倾角、方位角修正系数，光伏发电系统可用率、光照利用率、逆变器效率、集电线路损耗、光伏组件表面污染修正系数，光伏组件转换效率修正系数，取值0.9。

结合光伏工程实际发电量数据，由式(1)可得，Ep=1388.2×0.001×0.9 ≈ 1.25 kWh。则济南地区光伏组件每W年发电量约为1.25 kWh。

2.3 成本计算

使用光伏发电系统为电动汽车充电是一种分布式光伏发电的应用形式。本文未对电动汽车的价格进行分析，仅分析建设分布式光伏发电和单纯使用电网充电的成本及效益。

根据家用汽车不同的日平均行驶km数，计算得出需要配置的光伏组件容量。

目前市场上光伏组件的价格约为4元/W，5000 W小型逆变器的价格约为5000元。以济南地区光伏充电系统为例，设总成本为C，日均行驶里程为L，组件容量为V，则：

式中，Qr为电动汽车每km能耗；1.25为济南地区光伏组件每W年平均发电量。

图1为济南地区光伏充电系统成本组成图。由图1可直观地看出，光伏充电系统的成本随着日均行驶里程的增加而增加。

2.4 效益分析

本文指的效益是光伏发电系统相对市电充电的收益。

式中，使用电量=时间×日均行驶里程用电量。

设P为光伏充电系统相对收益，t为时间，Q为用电量，则：

式中，0.55为居民用电电价；0.32为使用光伏发电系统为电动汽车充电每度电可获得的收益Q=QrLt

将式(3)代入式(5)得：

由此，为了直观表现收益情况，做如图2所示的折线图。

当 t=1342天 (即 3.7年 )时，P=-5000，即图2中各条直线的交点。此时，光伏充电系统的收益已达到光伏组件的投资成本，只有逆变器的成本还需收回。

因此得出如下结论：

图2 光伏充电系统相对利用市电充电收益

1)光伏充电系统产生效益的时间在4～12年。

2)车主日均行驶里程越长，盈利越快。比如日均行驶100 km，则只需4年时间光伏充电系统的使用成本就会和使用电网电能成本持平，以后通过补贴每年还会产生额外收益；而如果日均行驶30 km，则需要6年；日均行驶50 km，需要5年。所以光伏充电系统适合日均行驶公里数较长者。

3 结论

通过对比光伏充电系统和市电充电的成本和收益，我们发现要体现出光伏充电系统的投资效益，仅需要4～12年的时间，同时使用光伏发电可以减少化石能源的消耗，对节能减排、防治大气污染有很大的示范意义。随着光伏产业的规模化发展，光伏组件和逆变器的价格会逐步降低，光伏充电系统的投资回收时间还将进一步缩短；并且，光伏充电系统组成简单，光伏组件的使用寿命高达25年，安装维护都很方便。综上所述，电动汽车用光伏充电系统在国家鼓励新能源发展及度电补贴的背景下，投资效益明显，有着很大的推广意义。

[1] 国家发改委.关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知[EB/OL]. http://www.sdpc. gov. cn/zwfwzx/zfdj/jggg/dian/201308/t20130830_556127.html, 2013-8-26.

[2] 山东省物价局.山东省物价局关于电价调整有关事项的通知[EB/OL]. http://www.sdwj. gov. cn/ggfw/jggl/zls/08/82465.shtml , 2014-8-29.

[3] 山东省政府. 山东省电网销售电价表[EB/OL]. http://www.jinan.gov. cn/art/2009/8/10/art_13623_366685. html, 2009-08-10.

[4] GB 50797-2012, 光伏发电站设计规范 [S].