CN118611235A - 一种弱光环境下电动汽车光储充高效充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种弱光环境下电动汽车光储充高效充电系统，该系统在停车场建设钢结构车棚在其顶部和附近建筑物屋顶建设光伏发电系统，所发电力优先通过电动汽车充电桩供给电动汽车使用，剩余电量可存储在利用电动汽车退役电池建设的储能系统中，当光伏电力不足时储能系统作为调节电源为电动汽车供电，电力仍有缺口则从电网获取电力向电动汽车供电，上述方式能最大限度将本地太阳能电力被转移到汽车内，实现绿色出行。储能系统能在谷段时间充电、峰段时间放电实现“峰谷套利”，也可与电动汽车本身电池系统共同构成可调节资源，参与电力系统运行，大幅提升电力系统的可靠性、灵活性和经济性。

Description

一种弱光环境下电动汽车光储充高效充电系统

技术领域

本发明涉及太阳能发电技术领域，尤其涉及一种弱光环境下电动汽车光储充高效充电系统。

背景技术

当前，全球新一轮科技革命和产业变革蓬勃发展，汽车与能源、交通、信息通信等领域有关技术加速融合，电动化、网联化、智能化成为汽车产业的发展潮流和趋势。发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路，是应对气候变化、推动绿色发展的举措，为支撑新能源汽车产业发展，突破充电基础设施发展瓶颈，当前涌现出多种形式的电动汽车充电技术，其中以光储充一体化充电技术最具代表性，但传统光储充车棚存在以下不足：

1、现有光储充一体化充电技术仅利用地面停车场车棚顶部间建设光伏发电系统，导致光伏装机容量偏低不能完全满足电动汽车高频次动态充电的需求，需要高比例的市电作为补充，因此降低了电动汽车绿电比例；

2、现有光储充一体化充电技术没有利用反射太阳光，导致光伏系统单位面积发电量偏低，不能完全发挥充电站发电潜力；

3、现有光储充一体化充电技术需要将光伏所发直流电通过逆变器转换为交流电，通过交流电网向充电桩供电，在充电桩内部通过整流器将交流电转为直流电，电能需要多次交直流转换导致整体效率低。

4、现有光储充一体化充电技术大多采用全新锂电池作为储能系统，没有考虑电动汽车退役电池梯次利用问题，不利于退役电池资源有效利用。

综上，本领域技术人员亟需通过对现有光储充一体化充电技术的优化完善，在提高光伏系统装机容量及单位面积发电量、退役电池再利用、提高系统能效方面进行整体优化，提高项目收益率、减少项目投资回收期，促进储充一体化充电技术投资规模扩大。

发明内容

本发明的目的在于，解决现有技术的不足之处，提出一种弱光环境下电动汽车光储充高效充电系统，该系统在停车场建设钢结构车棚在其顶部和附近建筑物屋顶建设光伏发电系统，所发电力优先通过电动汽车充电桩供给电动汽车使用，剩余电量可存储在利用电动汽车退役电池建设的储能系统中，当光伏电力不足时储能系统作为调节电源为电动汽车供电，电力仍有缺口则从电网获取电力向电动汽车供电，上述方式能最大限度将本地太阳能电力被转移到汽车内，实现绿色出行。储能系统能在谷段时间充电、峰段时间放电实现“峰谷套利”，也可与电动汽车本身电池系统共同构成可调节资源，参与电力系统运行，大幅提升电力系统的可靠性、灵活性和经济性。

一种弱光环境下电动汽车光储充高效充电系统，该充电系统安装在钢结构车棚上，具体包括太阳能电池板、太阳能电池、汇流箱及逆变器，

太阳能电池板固设在钢结构车棚顶面上，该太阳能电池板将太阳能转化为电能并储存在太阳能电池中；太阳能电池的电力输出端经汇流箱连接逆变器，由逆变器将电能输回电网。

优选的，钢结构车棚：按车位种类分为双车位车棚和多车位车棚，采用模块化拼装结构根据现场条件单独使用或多个组合。

优选的，逆变器通过并网孤岛保护以及最大功率跟踪功能将直流电逆变成交流电。

优选的，汇流箱对接入汇流箱的每个电池组串进行实时监测，且在阵列的太阳能电池中进行一次汇流后将电能输送给逆变器。

本发明的优点及技术效果在于：

1、主要面向商业园、工业园停车场，可充分利用周围建筑屋顶建设光伏，扩大光伏建设规模，提高光伏发电量以满足高频充电站电动汽车对绿色电能的需求，同时减少市电比例，提高电动汽车绿电出行比例。

2、在车棚顶部北侧增加太阳光汇聚设施，将更多太阳光汇聚到太阳能光伏板上，提高单位面积光伏系统发电量。

3、采用750V直流母线作为光伏发电系统、储能系统、充电桩系统汇集点，减少光伏逆变环节能量损失。

采用电动汽车退役下来的动力电池建设储能系统，有利于电池的梯次利用，节约成本的同时，实现资源高效利用，也使电动汽车动力电池的回收有了新的解决方向。

附图说明

图1为本发明中储充一体化绿色充电站系统示意图；

图2为本发明中钢结构车棚的结构示意图(单支撑立柱结构光伏车棚)；

图3为本发明中钢结构车棚的结构示意图(单车位双支撑立柱结构光伏车棚)；

图4为本发明中钢结构车棚的结构示意图(中的双支撑立柱结构)；

图5为本发明中钢结构车棚的结构示意图(中的单支撑立柱结构)；

图6为本发明中光伏组件的参数表；

图7为本发明中逆变器的参数表；

图8为本发明的光储充直流互联系统图；

图9为本发明中光伏板螺栓的安装示意图；

图10为本发明中光伏汇聚设施示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

一种弱光环境下电动汽车光储充高效充电系统，该充电系统安装在钢结构车棚上，具体包括太阳能电池板、太阳能电池、汇流箱及逆变器，

太阳能电池板固设在钢结构车棚顶面上，该太阳能电池板将太阳能转化为电能并储存在太阳能电池中；太阳能电池的电力输出端经汇流箱连接逆变器，由逆变器将电能输回电网。

优选的，钢结构车棚：按车位种类分为双车位车棚和多车位车棚，采用模块化拼装结构根据现场条件单独使用或多个组合。

优选的，逆变器通过并网孤岛保护以及最大功率跟踪功能将直流电逆变成交流电。

优选的，汇流箱对接入汇流箱的每个电池组串进行实时监测，且在阵列的太阳能电池中进行一次汇流后将电能输送给逆变器。

为了更清楚地描述本发明的具体实施方式，下面提供一种实施例：

1.系统组成

光储充一体化绿色充电站系统由钢结构车棚、太阳能电池板、逆变器、支架、直交流接线箱及计量等相关附件构成。其工作原理是太阳能电池方阵在光照的条件下产生直流电，直流电通过逆变器转换为交流电后并入低压电网。

钢结构车棚：按车位种类可分为双车位车棚和多车位车棚。大多为模块化设计，可单独使用或多个组合，便于扩展，少则几个车位，多则几百个车位，灵活性强。

太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部件，其作用是将太阳的辐射能转换为电能；

并网逆变器：太阳能系统的关键组成部件，其作用是通过并网孤岛保护、最大功率跟踪(MPPT)等功能将直流电逆变成交流电的部件；

其它附件，主要包括控制检测系统、防雷接地保护、电缆及支架等。

2.关键器件

(1)钢结构车棚

光伏车棚按照车位形式分为单车位图2、图3和双车位图4、图5两种，两种光伏车棚均可直接采用铝合金压块方式固定的太阳能电池板作为其屋面系统，1块太阳能电池板通常采用4个压块。考虑到停车棚防水问题，在光伏板接缝处采用密封胶进行密封，同时在其下部设置铝合金V形导水槽排除渗漏雨水，此种做法防水性能极佳，安全稳定，安装方便，具体形式见下图：

(2)太阳能电池

太阳能光伏系统中最重要的是电池，是收集阳光的基本单位。大量的电池合成在一起构成光伏组件。太阳能光伏电池主要有：晶体硅电池(包括单晶硅Mono-Si、多晶硅Multi-Si)、非晶硅电池(a-Si)、非硅光伏电池(包括硒化铜铟CIS、碲化镉CdTe)。目前市场生产和使用的太阳能光伏电池大多数是用晶体硅材料制作的；薄膜电池中非晶硅薄膜电池占据薄膜电池大多数的市场。从产业角度来划分，可以把太阳能光伏电池划分为硅基电池和非硅电池，硅基电池以较佳的性价比和成熟的技术，占据了绝大多数的市场份额。

表1、对单晶硅、多晶硅和非晶硅这三种电池类型就转换效率、制造能耗、成本等方面进行了比较。

表1、单晶硅、多晶硅和非晶硅的比较

结合项目现场条件本次采用单晶硅组件，光伏组件参数见图6。

(3)汇流箱

在大型光伏发电系统中，太阳电池组串数量大、电流小，因此需在阵列中设置汇流箱进行一次汇流，以减少直流电缆用量，降低直流损耗，提高系统效率，降低发电成本。并且通过汇流箱可以对接入汇流箱的每个电池组串进行实时监测，以便精确检测出各路可能发生的故障。

(4)逆变器

目前常用的逆变器有组串式逆变器、集中型逆变器和微型逆变器，集中式逆变器一般用于大型地面电站等，系统总功率大，一般是兆瓦级以上，本项目装机功率较小，采用组串式逆变器其主要优势如下：

①组串式逆变器采用模块化设计，每个光伏串对应一个逆变器，直流端具有最大功率跟踪功能，交流端并联并网，其优点是不受组串间模块差异，和阴影遮挡的影响，同时减少光伏电池组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况，最大程度增加了发电量。

②组串式逆变器MPPT电压范围宽，一般为250-1100V，组件配置更为灵活。在阴雨天，雾气多的部区，发电时间长。

③组串式并网逆变器的体积小、重量轻，搬运和安装都非常方便，不需要专业工具和设备，也不需要专门的配电室，在各种应用中都能够简化施工、减少占地，直流线路连接也不需要直流汇流箱和直流配电柜等。组串式还具有自耗电低、故障影响小、更换维护方便等优势。

根据本项目特点本次采用组串式逆变器，逆变器具体参数见图7：

根据《城市道路路内停车泊位设置规范》规定停车位标准尺寸大小设计主要分大、小两种尺寸，大型停车位长15.6米，宽3.25米，适用于中大型车辆；小型停车位长6米，宽2.5米，适用于小型车辆。

本次以天津地区某工业园停车场为单车位光伏车棚结构例进行设计，选取20个光照事宜地面标准车位建设光储充一体化绿色充电站，在停车棚屋顶采用双面单晶硅550Wp组件，共敷设150块，总装机容量82.5kWp，同时在车棚顶部北侧增加太阳光汇聚设施，将更多太阳光汇聚到太阳能光伏板上，可提高单位面积光伏系统发电量5％以上。利用充电站附近建筑屋顶建设200kWp光伏发电系统，与车棚屋顶光伏共同为充电站供电，以满足高频充电站电动汽车对绿色电能的需求。采用750V直流母线将光伏发电系统、储能系统、充电桩系统直连，减少光伏逆变环节能量损失，通过逆变器与电力系统连接，确保光伏系统电能用完情况下电动汽车正常充电需求。本次为20个车位配置8台直流双枪充电桩，单台功率40kW；2台交流充电桩，单台功率14kW。采用100kW/300kWh电动汽车退役动力电池储能系统自动匹配电动汽车充电功率，在节约建设成本的同时，提高电池利用效率、绿电消纳比例及系统稳定性，也使电动汽车动力电池的回收有了新的应用场景。

经计算，本项目光伏年发电量约为30.62万kWh，日均发电量840kWh。根据中国电动汽车充电基础设施促进联盟发布《2022中国电动汽车用户充电行为白皮书》，电动汽车用户单日充电高峰集中在三个时段，分别为：早上5：00-7：00，下午12：00-16：00，夜间23：00-1：00。整体来看，用户平均单次充电量25.6度，平均单次充电时长49.3分钟。因此光伏系统年发电量可满足1.2万台次电动汽车纯绿电充电需求。整个项目每年节约标准煤92.328吨、减少二氧化碳排放量253.558吨、减少硫化物排放量1.899吨、减少氮氧化物排放量0.643吨。

光储充一体化绿色充电站原理如图8所示，光储充一体化充电站的核心由钢结构车棚、光伏发电系统、储能电池和充电桩，四部分构成。光伏发电系统，所发电力优先通过电动汽车充电桩向电动汽车供电，剩余电量可存储在利用电动汽车退役电池建设的储能系统中，当光伏电力不足时储能系统作为调节电源为电动汽车供电，如仍有缺口则由电网进行供电，此种模式可最大限度将本地太阳能电力转移到汽车内，确保电动汽车实现绿色出行。

根据需求，光储充一体化充电站可实现并网和离网两种运行模式。将光储充一体化充电站并入电网，除了接受来自光伏太阳能板的能量外，储能电池在电价低的时候充电，在电价高时放电，降低充电成本的同时可以削峰填谷，也弥补了太阳能发电不连续性的缺点，而当电网断电时，光储充系统可以采用离网运行模式对新能源车应急充电。

具体实施方式：

1.光储充一体化绿色充电站建设流程

工机具、材料准备清点→设置与外间隔断围栏→地面基础施工(土方及基底、模板工程、钢筋工程、硷工程)→预埋锚栓埋设→放线、测量、定位→钢架制作→钢架安装→光伏板安装→逆变器、配电柜的安装→充电桩安装→储能系统安装→交直流线缆的连接→并网调试→废料清理→验收。

2.具体实施方案

(1)车棚安装

①土方及基底工程

根据本工程基础结构平面图，采用人工和机械挖基槽施工，当控制到地设计标高800mm以上时，停止机械挖土后，用人工清理到设计标高，以防扰动设计层土质，挖出的土方除回填外，运至建设单位指定的场地，现场统一安排。

②模板工程

独立基础采用钢模板，模板安装要求位置准确，垂直水平安装牢固，拼缝严密，保证施工过程中不变形、不移位、不涨模、不漏浆；模板安装前应注意将板面清理干净，涂刷优质脱模剂，并认真检查是否有预埋件，预留孔洞等，对图认真检查核对。模板及支撑必具有足够的强度，刚度和稳定性；板拆除顺序应为先支先拆，拆模不应用力过猛过急，以免损坏构件梭角，拆除的模板急时清理干净，板面涂废机油，按规格分类堆放，以备保管。

③钢筋工程

所有钢筋进场必须有出厂合格证。钢筋制作按规范标准要求施工，接头位置应错开，搭接长度及锚固长度符合要求，地脚螺栓预埋铁板度，位置，上螺扣长度严格按要求施工，并保证其精确度。

④混凝土工程

本工程采用预拌商品硷C30，硷浇筑振捣均匀密实，掌握好硷坍落度，硷浇筑后12h进行养护，夏天采用覆盖草包浇水养护，两天采用塑料膜养护；养护时间一般不少于7天。

⑤预埋铁安装

预埋铁框架的制作:每一根钢柱预埋铁全部在加工房内进行加工制作，制作采用300mm*300mm*10mm钢板，用四根长700mm的钢筋焊接在铁板上锚固于基础独立柱内形成一个整体。预埋铁顶端的相对高差≤5mm。

⑥钢柱安装

本工程需要就地分段制作钢架梁(包括细梁框架梁、屋面框架梁柱间支撑)，要安装图标准的尺寸进行下料制作，采用综合吊装方法。由下而上地进行吊装每独立单元刚架安装完之后，必须将所有的构件全部安装完毕，使之具有空间刚度和可靠的稳定性。

(2)光伏板安装

使用防腐蚀螺栓、弹性垫圈和平垫圈将组件安装在支架导轨上，所用的扭矩应足够大以使组件被安全固定。M8螺栓的扭矩参考值为16～20N*M，M6螺栓的扭矩参考值为9～12N*M。如需要特殊的支架系统或者特殊的安装方式，请与支架供应商再次确认扭矩值，安装图示见图9。

(3)光伏逆变器安装

①在安装前首先应该检查光伏逆变器是否在运输过程当中有损坏。

②应该保证周围没有任何其他的电力电子设备的干扰，严格按照设计图纸进行施工。

③采用不透光的材料将光伏电池板覆盖或是断开直流侧断路器。如果暴露于阳光，光伏逆变器阵列将会产生危险电压。

④所有安装操作必须是仅由专业技术人员完成。

(4)充电桩安装

①安装基础:标准充电桩安装应设立基础，保证充电桩的稳固安装基础的地基要求深度为1000mm以上，地基底座选用C30混凝土，地基底面要求平整，四周与现场地面不低于100mm。

②电源接入:根据实际情况，现场应预留电源接线点，电源接线应严格按照电气设计方案进行，接线口应设于充电桩旁边，接线柜须符合现场电气规范。

③安装充电桩:按照充电桩的操作说明书进行充电桩的安装，安装时应校准水平并设置好充电桩基础和固定螺栓，确保充电桩的稳定性和安全性。

(5)储能系统安装

①确定安装位置：安装储能设备需要选定适当的安装位置，应考虑到设备的体积、电缆长度和安全因素等。在选定安装位置时，应避免在狭小的空间内安装，应尽量避免与其他电气设备互相干扰。同时还需考虑设备的可靠性和易维护性。

②布线设计：布线设计是储能设备安装方案的重要步骤，需要根据设备的容量、电压、电流等参数，并参照电力规划要求，设计合理的布线方案。应根据设备的容量和电流选用合适的电缆。

③设备安装：在安装储能设备时，应按照设计图纸和技术要求进行安装，应保证设备的稳定和可靠性。在这一步骤中，需要对储能设备进行调试和检测，确保设备正常运行。

(6)交直流电缆接线

按照设计图纸完成交直流电缆连接。

(7)并网调试

设备安装完成后，由施工单位按照设计要求完成系统调试，主要技术指标应达到设计要求。

最后，本发明的未尽述之处均采用现有技术中的成熟产品及成熟技术手段。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的实施例或示例中。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (4)

1.一种弱光环境下电动汽车光储充高效充电系统，其特征在于：该充电系统安装在钢结构车棚上，具体包括太阳能电池板、太阳能电池、汇流箱及逆变器，

所述太阳能电池板固设在钢结构车棚顶面上，该太阳能电池板将太阳能转化为电能并储存在太阳能电池中；所述太阳能电池的电力输出端经汇流箱连接逆变器，由逆变器将电能输回电网。

2.根据权利要求1所述的一种弱光环境下电动汽车光储充高效充电系统，其特征在于：所述钢结构车棚：按车位种类分为双车位车棚和多车位车棚，采用模块化拼装结构根据现场条件单独使用或多个组合。

3.根据权利要求1所述的一种弱光环境下电动汽车光储充高效充电系统，其特征在于：所述逆变器通过并网孤岛保护以及最大功率跟踪功能将直流电逆变成交流电。

4.根据权利要求1所述的一种弱光环境下电动汽车光储充高效充电系统，其特征在于：所述汇流箱对接入汇流箱的每个电池组串进行实时监测，且在阵列的太阳能电池中进行一次汇流后将电能输送给逆变器。