加油站增設(shè)電動(dòng)汽車充電及光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究

嚴(yán)吉坤 孫 卓

（1.中國(guó)石油化工股份有限公司上海石油分公司，上海 200002；2.能科節(jié)能技術(shù)股份有限公司，北京 100085）

電動(dòng)汽車具有無(wú)尾氣、低噪聲、低振動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)家落實(shí)節(jié)能減排計(jì)劃過程中重點(diǎn)推廣的產(chǎn)品。為了加快普及電動(dòng)汽車，首先需要完善充電網(wǎng)絡(luò)、設(shè)施及配套服務(wù)。加油站遍布全國(guó)各地，具有充足的網(wǎng)絡(luò)資源，完善的服務(wù)體系，如果在加油站中增設(shè)充電設(shè)施，將傳統(tǒng)的加油站改建為集加油、充電功能為一體的綜合服務(wù)站，將會(huì)大大加快電動(dòng)汽車的普及。

由于加油站的面積有限，不能讓車輛長(zhǎng)時(shí)間停放，因此在加油站中適合建設(shè)快速充電設(shè)施。而已建成的加油站配電變壓器容量有限，快充設(shè)施的功率比較大，因此，在增設(shè)充電設(shè)施的同時(shí)必然要求電力擴(kuò)容，這就要進(jìn)行電網(wǎng)改造、土建等工程施工，不但大大增加了投資，延長(zhǎng)了建設(shè)周期，還會(huì)影響到加油站原有業(yè)務(wù)的正常進(jìn)行。因此，電力系統(tǒng)擴(kuò)容問題成為制約加油站增設(shè)電動(dòng)汽車充電設(shè)施的關(guān)鍵因素之一。

光伏發(fā)電技術(shù)利用光電效應(yīng)，直接將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電過程中不產(chǎn)生任何污染，被公認(rèn)為是清潔能源。如果利用加油站中的建筑，安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)，就有可能解決加油站的電力擴(kuò)容問題，并為加油站帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，為國(guó)家的節(jié)能減排計(jì)劃做貢獻(xiàn)。本文研究了在加油站中增設(shè)電動(dòng)汽車充電設(shè)施和光伏發(fā)電設(shè)施的可行性，提出了整體解決方案，并在加油站中進(jìn)行了試驗(yàn)，為今后的大規(guī)模推廣做了探索。

1 加油站分析

截至2006年底，全國(guó)約有加油站10萬(wàn)座，其中，中石油自營(yíng)及特許加油站約為 1.8萬(wàn)座，占全國(guó)加油站總數(shù)的 19.4%；中石化自營(yíng)及特許加油站約為2.8萬(wàn)多座，占全國(guó)加油站總數(shù)的30.7%；其他國(guó)有、民營(yíng)、外資加油站近 4.7萬(wàn)座，占全國(guó)加油站總數(shù)的49.9%[1]。加油站數(shù)量眾多，遍布全國(guó)各地，加油站的基本布局都相同，主要由站房、罩棚、加油島、儲(chǔ)油罐、行車道、圍墻等組成。站房一般包括營(yíng)業(yè)室、值班休息室、衛(wèi)生間、儲(chǔ)藏室等。有些加油站還有停車場(chǎng)、快捷便利店、快餐廳、車輛修理間、洗車房等設(shè)施。按照功能，可以將加油站劃分為加油區(qū)、儲(chǔ)油區(qū)、行車及停車區(qū)、輔助區(qū)這 4個(gè)功能區(qū)域[2]。加油區(qū)通常由站房、加油島、罩棚3部分組成；儲(chǔ)油區(qū)用于安放油罐，存儲(chǔ)油品，是加油站的危險(xiǎn)區(qū)。油罐通常直埋于地下。

在加油站的停車區(qū)、輔助區(qū)通常有一些空地，可以利用這些空地來(lái)安裝電動(dòng)汽車充電設(shè)施；加油區(qū)的罩棚、站房以及停車區(qū)的停車棚頂部都可以安裝光伏發(fā)電設(shè)備，用于彌補(bǔ)增設(shè)電動(dòng)汽車充電設(shè)備造成的電力缺口。

2 充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 橇裝式電動(dòng)汽車充電站

由于加油站中可以用來(lái)建設(shè)充電設(shè)施的面積有限，因此采用“橇裝式電動(dòng)汽車充電站”是理想的選擇?！扒裂b式”是一種預(yù)裝、模塊化、全金屬、全封閉房體，用于安裝中壓、低壓電氣設(shè)備。這種結(jié)構(gòu)的房屋可以使用起重設(shè)備整體吊裝移動(dòng)、就位，也可以使用車輛像拉雪橇似的拖拽，便于短距離移動(dòng)。橇裝結(jié)構(gòu)房屋在石油鉆采中廣泛使用，非常便于移動(dòng)以及野外使用。

將充電站中的充電機(jī)、配電柜等設(shè)備集中安裝入橇裝結(jié)構(gòu)房屋中，并用專用的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行控制管理，就構(gòu)成了“橇裝式電動(dòng)汽車充電站”，其優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）一體化方案設(shè)計(jì)，安全、可靠，運(yùn)輸方便，檢維修方便。

（2）在出廠前做整體調(diào)試，現(xiàn)場(chǎng)施工便捷安全，施工周期短，不影響加油站正常營(yíng)業(yè)。

（3）結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，占地面積小。

（4）供電線路短，損耗低。

（5）模塊化設(shè)計(jì)，便于擴(kuò)展。

（6）內(nèi)設(shè)電纜夾層，內(nèi)部接線美觀、方便；外部電纜進(jìn)出線方便（側(cè)出線），有完善的防火措施。

（7）充電屋整體防水、防火。

（8）充電屋內(nèi)設(shè)溫濕度控制器、煙感報(bào)警、照明裝置，屋外設(shè)爬梯。

橇裝式充電站由供配電系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)組成，由充電站運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理，如圖1所示。

圖1 橇裝式電動(dòng)汽車充電站的組成

以中石化上海安亭加油站為例，供配電系統(tǒng)中包括低壓配電柜、計(jì)量計(jì)費(fèi)設(shè)備、溫控設(shè)備、諧波監(jiān)測(cè)設(shè)備等；充電系統(tǒng)包括 4臺(tái)直流充電樁，6臺(tái)交流充電樁，4臺(tái)直流充電機(jī)，安防系統(tǒng)包括工控機(jī)、配電監(jiān)控、充電監(jiān)控、消防報(bào)警器、視頻監(jiān)控；光伏發(fā)電系統(tǒng)中包括光伏電池板、匯流箱、逆變器。

2.2 充電站運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)

充電站運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)（Prems-CH）是基于能源管理系統(tǒng)（EMS）軟件平臺(tái)、針對(duì)充電站的需求專門開發(fā)出來(lái)的。充電站運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)分為3個(gè)層次：設(shè)備層、站級(jí)管理層、區(qū)域級(jí)充電站網(wǎng)點(diǎn)管理層。

設(shè)備層實(shí)時(shí)獲取充電站內(nèi)供配電設(shè)備、充電設(shè)備、安防設(shè)備、光伏發(fā)電設(shè)備、節(jié)能照明設(shè)備、能耗信息，并管理設(shè)備的運(yùn)行；設(shè)備信息傳遞到站級(jí)管理層后，進(jìn)過分析、統(tǒng)計(jì)、歸納，生成設(shè)備管理、運(yùn)營(yíng)等報(bào)表，充電站管理者可以隨時(shí)了解站內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)、是否有故障、是否需要檢修，同時(shí)能夠了解各設(shè)備的利用情況，能夠分析各設(shè)備的效益。區(qū)域級(jí)充電站網(wǎng)點(diǎn)管理層主要用來(lái)管理一個(gè)區(qū)域內(nèi)所有充電站網(wǎng)點(diǎn)，實(shí)時(shí)了解各充電站的設(shè)備狀況、車位資源等信息，評(píng)估各充電站的效益。

充電站運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示。

充電站運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)可大可小，在前期的網(wǎng)點(diǎn)建設(shè)時(shí)，只需要使用站級(jí)管理模塊即可，以后需要進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)點(diǎn)統(tǒng)一管理時(shí)，再安裝區(qū)域級(jí)管理模塊。

充電站運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖3所示。

圖2 充電站運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)3層架構(gòu)

圖3 充電站運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

加油站環(huán)境條件特殊，在加油站中增加光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，重點(diǎn)需要做氣象條件分析、用電量需求分析、場(chǎng)地條件分析。

加油站中可用面積有限，因此在做光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，盡量選擇利用已有建筑物屋頂，例如，加油站罩棚、站房、停車棚等。對(duì)于新建建筑，需要在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮光伏系統(tǒng)所帶來(lái)的強(qiáng)度、防雷等問題；對(duì)于已有建筑，則需要重點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度校核，并考慮進(jìn)行必要的加固。

上海安亭加油站位于上海安亭國(guó)際汽車城，經(jīng)中國(guó)石化股份有限公司批準(zhǔn)，擴(kuò)建電動(dòng)汽車充電站，為體現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的理念，在擴(kuò)建時(shí)安裝太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施，作為國(guó)際化汽車城示范點(diǎn)之一。下面以上海中石化安亭站為例進(jìn)行分析。

3.1 氣象條件分析[3]

圖4所示為上海地區(qū)11個(gè)氣象站分布圖。

根據(jù)這11個(gè)氣象站1961年至2008年累積的觀測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得出上海地區(qū)總輻射量、雨日、8—14時(shí)平均總云量、日照百分率季節(jié)分布（以上數(shù)據(jù)為1961—2008年上海地區(qū)11站平均，圖中總云量、日照百分率用百分比表示）以及各季平均太陽(yáng)高度角分布（11站平均）。分別如圖5、圖6、圖7所示。

圖4 上海地區(qū)氣象站分布圖

圖5 上海地區(qū)總輻射及相關(guān)氣象、天文要素的月際分布

圖 6 上海地區(qū)總輻射及相關(guān)氣象、天文要素的季際分布

圖7 上海地區(qū)各季總輻射的空間分布

由圖 7可見，夏季總輻射量（1593MJ/m2）最大，其次是春季（1275MJ/m2）、秋季（1052MJ/m2）、冬季（772MJ/m2），與各季正午的平均太陽(yáng)高度角分布一致。值得注意是，雖然，春季正午的平均太陽(yáng)高度角比秋季高許多（17°），但是由于春季的雨日、8—14時(shí)平均總云量比秋季多，日照百分率比秋季小，天空遮蔽度比秋季大，春季總輻射量只比秋季多220MJ/m2。

因上海地區(qū)地域面積小，太陽(yáng)總輻射的空間分布略有差異。年太陽(yáng)總輻射量的空間分布差異為：東北部及南部沿海地區(qū)最多、中西部及中東部最少；季太陽(yáng)總輻射量的空間分布差異為：春季東北部最多，西南部最少；夏季南部沿海最多、其次是北部、中部最少；秋冬季北部最多、其次是南部沿海、中部最少；月太陽(yáng)總輻射量的空間分布差異為：7—8月差異略為明顯，南部最多、其次是北部、中部最少，其他月差異較小。

上海市中心區(qū)的緯度為31.17°。

根據(jù)上面的分析可以得出結(jié)論：設(shè)計(jì)上海地區(qū)的光伏發(fā)電站時(shí)，應(yīng)以5、7、8月的月平均輻照量來(lái)計(jì)算最大發(fā)電量；充電站的選址首選上海南部地區(qū)，其次選上海東北部地區(qū)。光伏電池板的最佳傾角為34.17°。

中石化上海安亭加油站位于嘉定區(qū)，處于上海西部地區(qū)，屬于輻照量較小的區(qū)域，但該加油站朝向?yàn)檎?，而且周圍沒有高層建筑遮擋，因此適合安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)。

3.2 用電量需求分析

加油站中的主要負(fù)荷有照明、加油機(jī)、空調(diào)POSE機(jī)等，在加油站中建設(shè)充電站后，增加的負(fù)荷有直流充電機(jī)、交流充電樁、空調(diào)。以同等規(guī)模加油站3個(gè)月的耗電量為設(shè)計(jì)依據(jù)，見表1。

表1 某小型加油站用電量統(tǒng)計(jì)

該加油站每月用電量為 13160kW·h，每天用電量為438.67kW·h。

3.3 場(chǎng)地條件分析

安亭充電站共設(shè)10個(gè)車位，4個(gè)直流快充車位，6個(gè)交流慢充車位。為了確保在擴(kuò)建期間加油站正常運(yùn)營(yíng)，在新建的停車棚頂部安裝光伏發(fā)電設(shè)施，在站房中安裝LCD顯示屏供遠(yuǎn)程監(jiān)控、展示用。車棚設(shè)計(jì)圖如圖8所示。

圖8 安亭充電站停車棚

3.4 光伏陣列設(shè)計(jì)

根據(jù)停車棚頂部可利用面積，鋪設(shè) 74片光伏電池板，分為4組：19片串聯(lián)、19片串聯(lián)、18片串聯(lián)、18片串聯(lián)，用4進(jìn)2出防雷匯流箱匯流后，兩路直流送入逆變器，轉(zhuǎn)為3相380V交流電接入電網(wǎng)。

每片光伏電池板的功率為230Wp，陣列的總功率為17.02kWp。

4 運(yùn)行結(jié)果

上海安亭充電站自2011年11月25日正式投入使用以來(lái)，充電站及光伏發(fā)電系統(tǒng)一直連續(xù)工作，接待了各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)及各界同行的參觀，起到了很好的示范作用。截止到2012年4月17日，上海安亭充電站已連續(xù)運(yùn)行 2058h，光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)累計(jì)發(fā)電7007kW·h。統(tǒng)計(jì)2011年1—4月加油量、耗電量與2012年1—4月加油量、耗電量數(shù)據(jù)，見表2。

表2 2011年與2012年1—4月加油量與耗電量統(tǒng)計(jì)

從表2可以看出，2011年1—4月的單位加油耗電量為 296.99kW·h/萬(wàn) L，2012年 1—4月的單位加油耗電量為251.91kW·h/萬(wàn)L，增加光伏發(fā)電系統(tǒng)后，每加油萬(wàn)升的耗電量下降了15.18%，取得了明顯的節(jié)能效果。

從圖5可以看出，1—4月是上海地區(qū)太陽(yáng)輻照量最小的4個(gè)月，因此在其他季節(jié)將會(huì)有更大的節(jié)電量，預(yù)計(jì)夏季的每加油萬(wàn)升的耗電量可以下降20%～30%。

5 結(jié)論

采用橇裝式結(jié)構(gòu)，能夠方便快捷的對(duì)現(xiàn)有加油站進(jìn)行改造，使加油站增加電動(dòng)汽車充電服務(wù)功能，可以快速增加電動(dòng)汽車充電服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)；光伏發(fā)電技術(shù)的成功運(yùn)用，能夠?yàn)殡妱?dòng)汽車提供部分清潔無(wú)污染能源，并明顯的減少加油站內(nèi)部的自用電量，節(jié)能效果非常明顯。

[1] 鄒云勝,陳中義.石油零售企業(yè)區(qū)域性加油站行業(yè)發(fā)展規(guī)劃探討[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版), 2011,34(9): 68-70.

[2] 李選民.論加油站建設(shè)與管理3-加油站的總平面布置設(shè)計(jì)[J].石油庫(kù)與加油站.1999, 8(3): 43-44.

[3] 賀芳芳,薛靜,穆海振.上海地區(qū)太陽(yáng)總輻照及其時(shí)空分布特征[J].資源科學(xué), 2010, 32(4): 693-700.

[4] 趙春江,朱元昊,包大年. 200kW太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐[J].節(jié)能技術(shù), 2007, 25(4): 326-329.

[5] 李鐘實(shí).太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工與維護(hù)[M].北京:人民郵電出版社, 2010.