利用風(fēng)能對(duì)電動(dòng)汽車充電的經(jīng)濟(jì)性分析

何 震，李永光

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，人們生活水平逐漸提高，汽車的使用也越來(lái)越普遍.據(jù)美國(guó)汽車行業(yè)權(quán)威雜志W(wǎng)ardsauto公布:截至2011年8月16日，全球各種汽車，包括轎車、卡車以及公共汽車等保有量已突破10億輛，中國(guó)達(dá)到1.058億輛，僅次于美國(guó).到2050年全球汽車保有量將升至25億輛.[1]經(jīng)檢測(cè)，汽車尾氣中含有 NOx，CO，SO2，H2S以及鉛等有害成分，[2]龐大的汽車數(shù)量不僅給環(huán)境帶來(lái)了巨大的壓力，更侵蝕著人們的健康.

由于電動(dòng)汽車依靠電池行駛，能夠?qū)崿F(xiàn)零排放，可以在極大程度上緩解汽車尾氣污染，因此近幾年電動(dòng)汽車受到青睞，發(fā)展十分迅速.但也有學(xué)者提出了質(zhì)疑:電動(dòng)汽車是否完全清潔無(wú)污染.目前我國(guó)電力生產(chǎn)約80%來(lái)自于火電，電動(dòng)汽車從電網(wǎng)充電實(shí)質(zhì)上只是將燃料從汽油換成煤而已，并沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)無(wú)污染、零排放.為了真正實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車零排放的目標(biāo)，新能源的利用必不可少.為此，學(xué)者們提出了建立風(fēng)能充電站或風(fēng)光互補(bǔ)充電站為電動(dòng)汽車充電.為了簡(jiǎn)化模型，本文僅考慮風(fēng)能充電.

利用風(fēng)能對(duì)電動(dòng)汽車充電的兩種形式為集中式充電和分布式充電.由于城市人口密集而集中式充電站占地面積較大，因此集中充電站一般建在人口稀少的地區(qū)，適用于電動(dòng)汽車更換電池以補(bǔ)充能源.分布式充電即充電樁，由于其體積小，在城市中的應(yīng)用范圍相對(duì)更廣.

風(fēng)電利用方式主要有風(fēng)電上網(wǎng)和風(fēng)機(jī)直接對(duì)電動(dòng)汽車充電.兩種方式均可進(jìn)行集中式充電和分布式充電.由于風(fēng)能的隨機(jī)性，利用風(fēng)能直接對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行分布式充電時(shí)，需要儲(chǔ)能裝置，以便于電動(dòng)汽車隨時(shí)充電.本文僅考慮風(fēng)能對(duì)電動(dòng)汽車電池集中充電的情況.

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電動(dòng)汽車的充電技術(shù)和運(yùn)營(yíng)作了相關(guān)研究，但卻沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性分析.本文將風(fēng)電直接對(duì)電動(dòng)汽車充電與電網(wǎng)內(nèi)火電對(duì)電動(dòng)汽車充電進(jìn)行了對(duì)比，測(cè)算了投資成本和動(dòng)態(tài)投資回收期.

1 風(fēng)能對(duì)電動(dòng)汽車充電的經(jīng)濟(jì)模型

對(duì)一項(xiàng)工程的經(jīng)濟(jì)性分析，可以清晰地體現(xiàn)該工程的可行性，實(shí)現(xiàn)資源的有效利用，避免浪費(fèi).同時(shí)，投資回收期是使累計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益等于最初投資費(fèi)用所需的時(shí)間，也是常用的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)之一.由于目前電動(dòng)汽車保有量很低，本文測(cè)算的是2020年上海電動(dòng)汽車集中充電、換電的經(jīng)濟(jì)性.劉立國(guó)提出，電動(dòng)汽車保有量的增長(zhǎng)與GDP的增長(zhǎng)基本一致，[3]將經(jīng)濟(jì)規(guī)模最大的浦東新區(qū)作為電動(dòng)汽車集中推行區(qū)域.

利用風(fēng)電對(duì)電動(dòng)汽車充電與利用火電進(jìn)行充電相比，收益為省煤費(fèi).投資為風(fēng)電機(jī)組的一次投資、充電設(shè)備的成本差價(jià)以及配送過(guò)程中貨車的燃油費(fèi).

采用資金動(dòng)態(tài)回收期[4]方法，凈現(xiàn)值可表示為:

式中:VNP——風(fēng)能對(duì)電動(dòng)汽車充電項(xiàng)目的凈現(xiàn)值;

m——每年省煤量，t;

d——煤價(jià)，元/t;

e——排污費(fèi)，元/t;

r——貼現(xiàn)率;

n——投資回收期，a;

CI——一次投資成本，元.

令VNP=0，可得到投資回收期為:

由式(2)可知，在一定的貼現(xiàn)率條件下，要得出投資回收期，首先要確定一次投資成本、省煤量和排污費(fèi)，而這些量的確定與預(yù)測(cè)的電動(dòng)汽車保有量和電池配送路線相關(guān).

2 經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 一次投資成本測(cè)算

一次投資成本包括風(fēng)電機(jī)組成本和集中充電站成本.兩者與電動(dòng)汽車消耗的電量息息相關(guān).全年耗電量為用戶耗電量和經(jīng)營(yíng)耗電量之和，即:

式中:W——全年耗電量;

W1——用戶耗電量;

W2——經(jīng)營(yíng)耗電量.

其中，電動(dòng)汽車用戶的全年消耗電量為:

式中:Net——電動(dòng)汽車保有量;

s1——用戶平均每天的行駛距離，km;

W0——用戶每百千米的平均耗電量，kWh.

電動(dòng)貨車配送電池所耗電即為經(jīng)營(yíng)耗電量，可表示為:

式中:w2——貨車每百千米耗電量，kWh;

s2——全年配送行程.

為了計(jì)算風(fēng)電機(jī)組成本，需要確定風(fēng)機(jī)機(jī)組參數(shù)和裝機(jī)數(shù)量.通過(guò)計(jì)算額定風(fēng)速來(lái)確定風(fēng)機(jī)參數(shù)、選擇匹配機(jī)組，并由單機(jī)發(fā)電量來(lái)確定風(fēng)機(jī)機(jī)組的個(gè)數(shù)，計(jì)算總投資.

本文采用Weibull分布來(lái)描述風(fēng)速分布規(guī)律.[5]Weibull 分布可表示為:

σ——風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差;

c——尺度參數(shù);

求得k和c后，可以確定該地區(qū)的額定風(fēng)速vr為:[6]

根據(jù)額定風(fēng)速選擇相應(yīng)風(fēng)力機(jī).通過(guò)風(fēng)葉界面的風(fēng)能功率可表示為:[7]

式中:A——掃風(fēng)面積，m2;

ρ——空氣密度，kg/m3;

v——上游風(fēng)速，m/s.

風(fēng)力機(jī)發(fā)電的理論最大功率系數(shù)可表示為:[8]

式中:Cp0——貝茲理論得出的理論風(fēng)能最大利用系數(shù)，取 0.593;

η——風(fēng)力機(jī)效率，取 0.92;

ηg——變速齒輪的機(jī)械傳動(dòng)效率，取0.96;

ηp——發(fā)電機(jī)的產(chǎn)電效率，取 0.95;

ηz——整流器的效率，取 0.97;

ηn——逆變器的效率，取 0.96;

由以上條件可得出風(fēng)能發(fā)電理論最大功率因數(shù)Cp=0.463.單個(gè)風(fēng)力機(jī)發(fā)電輸出功率為:

風(fēng)機(jī)單價(jià)乘以風(fēng)機(jī)數(shù)量則可得到風(fēng)電機(jī)組成本.

2.2 省煤量計(jì)算

在傳統(tǒng)充電模式下，電動(dòng)汽車的電力來(lái)自于電網(wǎng)，而電網(wǎng)中的電絕大部分來(lái)自于火電.假設(shè)電網(wǎng)中的電全部來(lái)自于火電，不考慮電廠自用電和電力傳輸效率，則全年省煤量為:

代入W值，并化簡(jiǎn)得:

式中:q——每千克標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量，取 29 270 kJ/kg;

ηb——鍋爐的效率，取 0.92;

ηp——管道的熱效率，取 0.94;

ηe——汽輪發(fā)電機(jī)的絕對(duì)電效率，取0.457;

上述省煤量是在標(biāo)準(zhǔn)煤的情況下，若轉(zhuǎn)化為原煤，則上述結(jié)果需除以原煤標(biāo)準(zhǔn)煤轉(zhuǎn)換系數(shù)η1，取為 0.714 3.

另外，每年油耗不僅與更換電池?cái)?shù)量有關(guān)，還與配送線路相關(guān)，這一部分的成本將在下面的實(shí)例中進(jìn)行測(cè)算.

2.3 排污費(fèi)計(jì)算

由于風(fēng)電零排放，因此省下的排污費(fèi)應(yīng)計(jì)入收益中，計(jì)算公式為:

式中:A——排污費(fèi);

A1——廢氣污染物的污染當(dāng)量數(shù)之和;

A2——固體廢物總重量，t.

1 t煤的污染排放量和污染物當(dāng)量值如表1所示.

表1 1 t煤污染排放量與污染物污染當(dāng)量值 kg

3 實(shí)例計(jì)算與分析

3.1 風(fēng)電機(jī)組的選擇與單個(gè)機(jī)組的發(fā)電量和成本

上海位于東亞季風(fēng)盛行區(qū)，受冬夏季風(fēng)的影響，是我國(guó)海洋風(fēng)能較為豐富的區(qū)域之一.并且上海作為經(jīng)濟(jì)、工業(yè)重鎮(zhèn)，對(duì)電力有著大量的需求.上海東海地區(qū)近海2008～2009年10 m海面風(fēng)能分布特征[9]如表2所示.

表2 東海近海海面10 m風(fēng)速分布 m/s

根據(jù)平均風(fēng)功率密度等級(jí)表(GB/T 18710—2002)，可以判斷出上海風(fēng)力資源較為豐富.上?，F(xiàn)在主要安裝的是輪轂高度為70 m的1.5 MW風(fēng)力機(jī)組，因此需要用下式對(duì)其進(jìn)行修正.[8]

式中:z0——海面粗糙度，取 0.003 m.

由此可得70 m風(fēng)速分布如表3所示.

表3 東海近海70 m風(fēng)速分布 m/s

計(jì)算后可得東海近海70 m的平均風(fēng)速為7.19 m/s.根據(jù)式(5)可得額定風(fēng)速vr=7.32 m/s，選取Aerodyn40.25風(fēng)葉時(shí)，參數(shù)見(jiàn)表4.

表4 風(fēng)機(jī)參數(shù)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)有效風(fēng)時(shí)均在5 500 h以上，由式(8)可得單個(gè)風(fēng)機(jī)年均發(fā)電量為3.21×106kWh.根據(jù)某公司報(bào)價(jià)，風(fēng)電機(jī)組的價(jià)格按照3 800元/kW計(jì)算，則單機(jī)價(jià)格為570萬(wàn)元，該價(jià)格包括風(fēng)力機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、自動(dòng)控制裝置及支撐鐵塔等成本.

3.2 電動(dòng)汽車一年耗電量

利用Bass模型預(yù)測(cè)，至2020年上海地區(qū)電動(dòng)汽車保有量為7.87萬(wàn)輛.據(jù)統(tǒng)計(jì)，上海平均上下班往返距離為30.2 km.以比亞迪e6電動(dòng)汽車為基礎(chǔ)車型來(lái)進(jìn)行計(jì)算，e6每百千米能耗為21.5 kWh.若僅考慮滿足人們正常上下班的情況，則用戶一年的耗電量為1.865×108kWh.

3.3 電池配送路線的確定及所耗能量計(jì)算

比亞迪e6充滿一次電可以行駛約300 km.上海電動(dòng)汽車平均每天行駛30.2 km，e6電池容量為 62 kWh，能量密度為 95 Wh/kg，[10]則電動(dòng)汽車電池重量為625 kg.計(jì)算可得電動(dòng)汽車更換電池周期為9.55 d，平均每天更換電池?cái)?shù)量為8 240個(gè).汽車在城區(qū)內(nèi)的平均行駛速度為30 km/h.為了方便消費(fèi)者更換電池，每個(gè)電池更換點(diǎn)相距7.5 km.本文以浦東新區(qū)為電動(dòng)汽車實(shí)驗(yàn)區(qū).電池更換點(diǎn)和充電站如圖1所示.

圖1 浦東新區(qū)電池更換站與集中充電站分布

由圖1可知，電池更換站全部布置在環(huán)城公路以內(nèi)，即城區(qū).集中充電站則布置在人口密度較小的郊區(qū).電池配送路線由 Dijkastra算法[11]確定.假設(shè)城區(qū)內(nèi)道路、交通情況相同，則節(jié)點(diǎn)間路線的權(quán)值只與配送路程的長(zhǎng)短相關(guān).

由Dijkastra算法得出的路線圖(粗實(shí)線為配送路線)如圖2所示.

由圖2可以得出，各電池更換站點(diǎn)與集中充電站之間的距離如表5所示.

圖2 電池配送路線

表5 電池更換站與集中充電站之間的距離 km

配送電池貨車往返運(yùn)行，由表5可知，全部站點(diǎn)均配送一次的總路程為583.8 km.由于每天更換電池?cái)?shù)量為8 240個(gè).采用載重30 t的集裝箱式貨車運(yùn)送電池，每個(gè)站點(diǎn)每天需要運(yùn)送次數(shù)為12.795次.全年配送電池總路程為2.726×106km.貨車能耗為121.6 kWh.經(jīng)營(yíng)全年耗電量為3.31×106kWh，則全年總耗電量為1.868 ×108kWh.

3.4 一次成本的確定

風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)為 1.868×108kWh/3.21×106kWh=58.1，因此風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)為59個(gè).風(fēng)機(jī)成本為33 630萬(wàn)元.目前利用火電為電動(dòng)汽車充電時(shí)廣泛使用的是充電樁，而利用風(fēng)電為電動(dòng)汽車充電則需要建集中充電站.雖然兩者存在差異，但基礎(chǔ)充電設(shè)施基本一致，成本不會(huì)相差太大.因此，可分3種不同情況進(jìn)行估算，分別為:集中充電站成本比充電樁總成本低50%;集中充電站成本與充電樁成本相同;集中充電站成本比充電樁總成本高50%.目前，充電樁的成本從幾千元到幾萬(wàn)元不等，本文采用蘇州潤(rùn)聯(lián)電子有限公司的報(bào)價(jià)為24 800元，充電功率參數(shù)為55 kW，則一臺(tái)e6充完電的時(shí)間為1.2 h.假設(shè)一天中電動(dòng)汽車充電時(shí)間為6:00～24:00，那么一臺(tái)充電樁一天可充15臺(tái)電動(dòng)汽車.因此，至少需要550臺(tái)充電樁，總成本為1 364萬(wàn)元.

經(jīng)計(jì)算，第1種情況時(shí)，一次成本為32 948萬(wàn)元.第2種情況時(shí)，一次成本為33 630萬(wàn)元.第3種情況時(shí)，一次成本為34 312萬(wàn)元.

3.5 省煤量及排污費(fèi)的計(jì)算

由式(14)得一年省煤量為 5.907×104t，轉(zhuǎn)換為原煤則為8.27×104t.每噸原煤價(jià)格為550元.按照式(16)、式(17)和表1可得每噸標(biāo)準(zhǔn)煤的排污量為35元/t，折換成原煤，則為25元/t，則m(d+e)=4 755萬(wàn)元.根據(jù)市場(chǎng)規(guī)律，貼現(xiàn)率按照8%計(jì)算，第1種情況下，投資回收期為10.5 a;第2種情況下，投資回收期為10.84 a;第3種情況下，投資回收期為11.18 a.由以上測(cè)算可知，充電設(shè)備的成本對(duì)投資回收期的影響不大，約11 a后可收回成本或?qū)崿F(xiàn)盈利.

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上測(cè)算，利用風(fēng)能對(duì)電動(dòng)汽車充電與利用火電充電相比，雖然初期投資較大，但經(jīng)營(yíng)成本較低，從長(zhǎng)期來(lái)看，前者將更有競(jìng)爭(zhēng)力.目前，煤價(jià)、排污費(fèi)總體上呈上升趨勢(shì)，風(fēng)機(jī)成本則逐步下降.這種趨勢(shì)將導(dǎo)致投資回收期的進(jìn)一步縮短，使得利用風(fēng)能對(duì)電動(dòng)汽車充電的方式更加經(jīng)濟(jì).浦東新區(qū)作為電動(dòng)汽車實(shí)驗(yàn)區(qū)，煤價(jià)為550元/t時(shí)，投資回收期為11 a.煤價(jià)的上漲將導(dǎo)致投資回收期縮短.若煤價(jià)上漲50%，即煤價(jià)為825元/t，那么投資回收期為6.18 a.排污費(fèi)的增加，將縮短投資回收期.2014年，北京將部分氣體排污費(fèi)和非居民垃圾處理費(fèi)提高了12倍，在上海地區(qū)，若按此新規(guī)定，則回收期縮短為6.26 a.風(fēng)機(jī)成本越低，投資回收期越短.風(fēng)機(jī)成本下降10%，則投資回收期為 9.25 a.

綜上所述，今后利用風(fēng)能對(duì)電動(dòng)汽車充電的經(jīng)濟(jì)性將更優(yōu)于利用火電，使電動(dòng)汽車的使用變得完全清潔.風(fēng)能資源較豐富地區(qū)可以推廣此種模式.

[1]《時(shí)代汽車》編輯部.全球汽車保有量與中國(guó)汽車保有量[J].時(shí)代汽車，2012(1):63.

[2]黑宇峰.論我國(guó)汽車保有量的增加對(duì)環(huán)境的危害[J].科技信息，2012(8):206.

[3]劉立國(guó)，程繼夏.汽車保有量與國(guó)民經(jīng)濟(jì)GDP及相關(guān)產(chǎn)業(yè)關(guān)系[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版，2005，7(3):35-38.

[4]賈仁甫，王紅.動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)研究[J].河北職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，14(4):63-66.

[5]丁明，吳義純，張立軍.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速概率分布參數(shù)計(jì)算方法的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(5):107-110.

[6]張海平.風(fēng)力機(jī)特征風(fēng)速的推導(dǎo)[J].云南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，13(1):76-78.

[7]劉靜，俞炳豐，姜盈霓.對(duì)福建省陸地風(fēng)能資源的評(píng)估[J].可再生能源，2007，25(1):59-65.

[8]郭新生.風(fēng)能利用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007:94-103.

[9]王曉亮，孫同美，徐晶晶，等.上海沿海風(fēng)能資源評(píng)估[J].海洋技術(shù)，2012，31(1):107-110.

[10]吳憩棠.淺議比亞迪e6先行者電動(dòng)車[J].汽車維修與保養(yǎng)，2012(3):44.

[11]任文軒.運(yùn)用貪婪算法構(gòu)建物流網(wǎng)絡(luò)的方法與應(yīng)用研究[D].合肥:中國(guó)科技大學(xué)，2011.