针对乡镇地区新能源汽车充电站覆盖不足的问题，中国机械设备工程股份有限公司的肖伟、张源，在2024年第9期《电气技术》上撰文提出一种新型解决方案：在乡镇景区停车场内建设配备储能系统的光伏车棚。该方案旨在通过储能单元减轻电网负荷，光伏车棚为充电桩提供主要电力来源。采用PVsyst软件对光伏发电系统进行仿真模拟，详细分析影响系统发电效率的关键因素，提出降低系统损耗的措施，并预测了未来25年发电量。研究结果表明，所提出的光伏车棚发电系统不仅能够有效地满足周边居民及景区游客的充电需求，而且能够实现能源“自发自用”，为乡镇光伏车棚的建设提供参考。
随着全球能源危机的加剧和环境保护意识的提升，新能源汽车以节能、环保、政策支持等优势，正在成为汽车市场上的重要力量。根据公安部交通管理局统计，截至2023年底，全国新能源汽车保有量2041万辆，较2022年增加207万辆，同比增长38.76%。
然而，充电基础设施布局不够完善、结构不够合理、服务不够均衡等问题，严重制约了乡镇地区新能源汽车的发展和普及。为此，国务院办公厅印发的《关于进一步构建高质量充电基础设施体系的指导意见》指出：到2030年，我国要基本建成覆盖广泛、规模适度、功能完善的高质量充电基础设施体系，加快大型村镇、乡村旅游重点村镇等地充电网络的规划布局。
未来，乡镇新能源汽车市场潜力巨大，但是充电桩的配电功率往往较大，当大量新能源汽车同时快速充电时，过大的电流必定会对配电系统造成额外的压力，影响电网稳定运行。设计合理的充电站建设方案，是解决乡镇充电网络覆盖不足问题的关键因素。
光伏发电作为解决这一问题的重要尝试，已在全国多个区域试行。文献分析了光伏技术解决自然条件受限地区用电问题的可行性；文献分析了储能系统在缓解电网负荷及调峰方面的作用；文献分析了分布式光伏的成本效益；文献分别研究了昆山、四川、广州等地太阳能光伏车棚建设的可行性及经济性。然而，针对乡镇光伏车棚和电动汽车充电站的研究尚不充分。
本文提出利用乡镇景区停车场建设光伏车棚发电系统，通过PVsyst软件进行仿真模拟，计算系统损耗及发电量，验证方案的可行性，为光伏车棚的建设和推广提供参考。
1 项目概况
图1 停车场布置
该项目旨在利用已有车位，构建一套光伏车棚发电系统，作为微电网的一部分，实现发电、储能、为电动汽车充电、向外部电网输电和在需要时从外电网取电的功能，具备离网运行能力。通过智能控制器，实现资源优化管理：储能系统优先从光伏阵列获取电能，在夜间或光伏阵列发电量不足时，自动切换至电网供电，确保电动车充电站的稳定运行；在无用电需求且储能系统充满电的情况下，系统将多余电能输送至电网，以实现能源的最大化利用。
2 太阳能资源评估
通过Meteonorm8.0数据库查询项目地点的气象数据，太阳能资源及温度见表1。该地区全年水平面总辐射量为1 359.0kW∙h/m2，散射辐射量为783.9kW∙h/m2。依据GB/T 31155—2014《太阳能资源等级 总辐射》划分标准，属于C类地区，表明其太阳能资源丰富，适宜开发光伏发电系。
表1 太阳能资源及温度
停车场所处环境较为复杂，光伏车棚安装受停车场布局的限制，无法完全按最佳倾角和方位角设计。根据现场安装条件，发电系统只能平行于车位布置方向安装，因此各区域方位角如下：A区方位角为东南向（45°）；B区方位角为西南向（-45°）；C区方位角为正南向（0°）。
为最大化光伏组件辐射接收量，利用PVsyst软件计算各区域组件的最佳安装倾角，计算结果显示：A区和B区的光伏组件在安装倾角为31°时，采光面的总辐射量最大，为1 506kW∙h/m2，与理论最优值相比，损失仅为5.8%；对于C区，当安装倾角设定为36°时，可以获得1 597kW∙h/m2的最大总辐射量，与理论最优值相比，无损失差异。倾角和方位角的选取对辐射量损失影响较大，在光伏车棚设计中应在满足现场安装条件的前提下，尽可能优化方位角和倾角来提高系统发电量。
3 光伏发电系统设计
3.1 组件选型及布置
光伏组件应尽可能选用技术成熟、市场使用率高、运行可靠的产品。本文选用目前市场上广泛使用的N型单晶硅组件，该组件具有610Wp的峰值功率和21.82%的光电转换效率，详细的光伏组件参数见表2。
表2 光伏组件参数
考虑到单个停车位的长度为5.3m，设计光伏组件按竖向双排排布，以充分利用车位的面积，单独一组双排组件占地面积为6.40m2，具体布置方案如下：A区和B区各设置4排光伏组件，每排长度为100m，前后排间距为8m，通过22块组件串联和32路并联方式连接，共计布置1 408块组件，装机容量达到429.44kWp；C区设置3排光伏组件，每排长度分别为50m、37m和15m，前后排间距为4m，采用14块组件串联和14串并联的方式连接，共布置196块组件，装机容量为119.56kWp。综合A、B、C三区，系统的总装机容量为978.44kWp，组件安装面积为4 484m2，土地利用率（ground coverage ratio, GCR）为30.06%。
3.2 逆变器布置
组串式逆变器有多路最大功率点跟踪（maximum power point tracking, MPPT）功能，适应复杂环境的能力较集中式逆变器更强。考虑到现场不同的安装倾角和方位角，以及阴影遮挡等原因，选用组串式逆变器，按以下方式布置：A区和B区各安装两台175kW逆变器，最大效率为99.0%，系统容配比为1.23；C区安装1台100kW逆变器，最大效率为98.6%，系统容配比为1.20。逆变器的详细技术参数见表3。
表3 逆变器参数
3.3 建模与仿真分析
1）系统损失
在光伏系统的设计中，通过优化系统以减少损耗是提高发电效率和经济效益的关键。通过PVsyst软件模拟，得到系统各项损耗率见表4，本文针对损耗率大于2%的情况进行分析并提出优化建议。
表4 系统各项损耗率
温度损耗：主要与组件的通风情况及安装地点温度有关，损耗率为3.1%。可以通过增加组件通风来降低温度损耗。
近处遮挡：主要由组件间及场地障碍物遮挡等引起，损耗率为2.6%。由于系统安装场地有限，导致冬至日组件前后排产生遮挡，若场地充足，可通过增加组件间距来降低近处遮挡损耗。
入射角（incidence angle modifier, IAM）损失：与光学材料的反射和入射角度及光伏组件的封装玻璃有关，损耗率为2.1%，为组件厂家保证值，可通过与厂家的合同要求来降低此项损耗。
组件单独失配损失：主要由组件电压、电流差异及组串到逆变器间压降不同引起，损耗率为2.1%，可以通过电气设计将组件按短路电流进行分挡连接来降低此项损失。
污秽损失：主要由于污秽遮挡引起，损耗率为2.0%。此参数在设计阶段较难确定，与组件的清洗频率和安装地点环境有关，与日后管理及运营有很大关系，可以通过增加清洗频率降低此项损失。
光伏发电系统首年单位有效发电量及损耗如图2所示，系统平均每天单位功率组件的有效发电量为3.35kW∙h，其中：由遮挡、污秽、温度、失配等引起的采光损失为0.63kW∙h；由逆变器引起的系统损失为0.13kW∙h。由图2可知，2—10月的发电量均能超过系统平均有效发电量，表明项目地点较适合采用光伏发电。
图2 光伏发电系统首年单位有效发电量及损耗
2）首年发电情况
通过PVsyst软件计算光伏系统首年发电情况见表5，其中：系统整体首年发电量为1 194 886kW∙h，系统效率（performance ratio, PR）为81.5%。考虑到A、B和C三个光伏区装机容量不同，将发电量折算为单位功率组件每日发电量进行对比，三个光伏区的年均单位功率组件每日发电量分别为3.33kW∙h、3.35kW∙h和3.44kW∙h，可知：C区单位发电量最高，较单位发电量最低的A区提高了0.11kW∙h/kWp/天；A区和B区发电量基本相同，仅相差0.02kW∙h/kWp/天。
表5 系统首年发电情况
3）25年发电量预测
根据光伏组件厂家的性能保证参数：组件光致衰减系数取1%，逐年衰减系数取0.4%，利用PVsyst预测系统25年发电量，结果如图3所示，可知：光伏系统建成后25年总发电量为27900.66MW∙h，平均年发电量为1116.03MW∙h。
图3 光伏系统25年发电量预测结果
3.4 系统建成
1）充电桩及储能配置
充电桩的设置应考虑系统容量、服务人数等因素，通过充电价格调整等方法引导用户合理选择充电方案，避免产生过大负载。景区日间游客集中，采用70kW快充桩满足游客短时充电需求，快充桩配置原则按100%消纳光伏车棚所发电量，根据PVsyst计算结果，该车棚的最大小时发电量为774.36kW∙h，因此应至少安装12个快充桩。夜间主要服务周边居民，以电网供电为主，采用7kW普通充电桩满足充电需求，考虑到乡镇人员居住密度较小，设置30个普通充电桩。
储能容量的确定需考虑系统的经济性、稳定性、峰谷电价、光伏消纳能力等因素进行综合分析，该系统储能主要起缓解电网负荷和应急供电作用，根据文献[16]光伏系统经济储能配比研究，储能配比设置为15%，即146kW∙h。
2）经济效益
考虑到车棚支架材料差异、组件及电池价格波动、不同地区施工成本等因素，光伏车棚的成本存在一定波动，参考市场分布式光伏系统和储能系统的设计-施工-采购总承包（engineering procurement and construction, EPC）价格，其成本可分别控制在3.5元/W和1.5元/(W∙h)以内，据此估算项目的建设投资约364.35万元。
由于上网电价与就地消纳电价存在差额，因此上网电量的占比直接影响投资成本回收期。根据市场价格，上网电价和充电桩电价分别按0.42元/ (kW∙h)和1.0元/(kW∙h)计算，估算不同上网电量占比时的投资回收年限和25年运营期总收益：当上网电量占比100%时，静态投资回收期为7.31年，运营期内总收益为1171.82万元；当上网电量和就地消纳电量各占50%时，静态投资回收期为4.26年，运营期内总收益为1980.96万元；当所发电量可以完全就地消纳时，静态投资回收期为3.06年，运营期内总收益为2790.08万元。综上所述，以上几种情况下的投资回收年限均较短，项目盈利的可能性较大。
4 结论
针对乡镇地区新能源汽车充电设施不足的问题，本文提出了一种新型解决方案，即利用光伏车棚促进充电站的覆盖，通过PVsyst软件对光伏车棚的发电量进行了详细的仿真分析，得出以下结论：
1）组件的安装地点及散热方式对提高系统PR值影响最大。因此，在设计光伏车棚时，应综合考虑组件的自然通风，必要时可加装辅助散热设备，以此提高系统的PR值。
2）组件的方位角和倾角对系统的发电潜能有显著影响，将组件调整至正南方向和最佳倾角安装时，可以最大化地利用太阳能，从而有效提升系统发电量。此外，组件在西向和东向安装时，发电能力表现相似。
3）项目的上网电量在不同占比情况下均能保证静态投资回收期不超过7.31年，项目投资回收期较短，具有良好的投资收益。
本工作成果发表在2024年第9期《电气技术》，论文标题为“基于PVsyst的乡镇光伏车棚设计及仿真研究”，作者为肖伟、张源 。
