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綠色低碳太陽能電動公交車的設計與應用分析

2020-12-02 03:11:04袁全紅蘇梓宇林博榮許錦賢
汽車文摘 2020年12期
關鍵詞:多晶硅節(jié)省客車

袁全紅 蘇梓宇 林博榮 許錦賢

(廣東科技學院,東莞523083)

主題詞:電動公交車 薄膜光伏 經濟效益 社會效益

0 前言

目前我國電動客車數量快速增長,珠三角地區(qū)成為全國純電動公交車推廣應用示范區(qū)域,其中,深圳市已經實現公交車純電動化;東莞市于2020 年10 月27日投入運營6330輛公交車全部實現純電動化。兩部委新發(fā)布的《綠色出行創(chuàng)建行動方案》指出:京津冀及周邊地區(qū)、長三角地區(qū)、汾渭平原等重點區(qū)域新能源和清潔能源公交車占所有公交車比例不低于60%,其他區(qū)域新能源和清潔能源公交車占所有公交車比例不低于50%。

電動公交車車體長,車頂面積一般大于20 m2,適合安裝光伏發(fā)電。為了使電動公交車更加綠色低碳,就要遵循“減量化、再利用、可再生”等綠色設計的原則[1]。使太陽能電動公交車更加綠色節(jié)能、低碳環(huán)保。

1 電動公交車基本參數

以一款12 m長純電動城市公交車型為例,其主要性能參數如表1。

2 太陽能電池系統(tǒng)

目前,硅晶太陽能電池發(fā)電效率最高,單晶硅和多晶硅太陽能電池占市場總額80%以上。多晶硅與單晶硅發(fā)電效率接近,但由于單晶硅存在圓角空隙,相同面積組件下2者功率相同,生產過程中多晶硅的能耗、CO2排放量更低,特別是鑄錠多晶硅的性價比更高,具有“多晶硅成本,單晶硅性能”。從產品的全生命周期分析,多晶硅更加經濟、環(huán)保、高效。目前我國1 Wp 多晶硅光伏發(fā)電板生產能耗為1.2 kW·h/W,而薄膜光伏節(jié)省了玻璃、鋁合金邊框等材料和組裝工藝,其生產階段能耗減少約25%,僅為0.9 kW·h/W,其價格也下降了25%。

表1 公交車主要性能參數

本設計采用協鑫公司GCL-M3/72H NOVA 405 W鑄錠單晶薄膜光伏組件,其組件效率達到20.1%,基本尺寸為2010 mm×1000 mm×35 mm。電池板為柔性薄膜材料,可直接膠合在客車頂部,須避開車頂排風口。客車有效安裝面積為22 m2,車頂可安裝多晶硅薄膜光伏發(fā)電板11塊,總功率為4455 W。

太陽能發(fā)電系統(tǒng)一般是由太陽能電池板、太陽能充電控制器、蓄電池組成。電動車本身已裝備蓄電池組,只需加裝太陽能充電控制器,其功能主要有:實時對最大功率點跟蹤控制(MPPT),防止過充、過放、短路及防反流保護。充電控制器額定電壓為400 V,額定電流10 A,額定功率4 kW,質量10 kg。太陽能電動公交車如圖1。

圖1 太陽能電動公交車

3 安裝光伏的經濟效益分析

安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)成本約7100 元/臺,其中電池板5600元/臺,控制器1500元/臺,電池平均成本約1.4元/Wp,比一般光伏組件成本低約25%。

廣東省屬于我國三類太陽能資源帶,按照東莞市水平面年均峰值日照時間為1210 h 計算[2],考慮到公交車被建筑物和樹木遮擋的情況,取折算系數為0.7,首年發(fā)電量為3800 kW·h,25 年壽命期共可發(fā)電82845 kW·h,年均可發(fā)電3314 kW·h,故一輛太陽能公交車度電成本(LCOE)僅為0.086 元/kW·h,遠遠低于目前一般光伏發(fā)電項目的0.2~0.6 元/kW·h 的水平[3]。日均可發(fā)電9.1 kW·h,按照電動客車平均能耗0.7 kW·h/km 計算,即可增加續(xù)航約13 km,故可適當減小電池組容量以減輕車體重量,提高有效運力。

按照東莞充電樁收費標準,考慮0.8 元/kW·h 的服務費,東莞充電樁充電價格為1.4~1.8 元/kW·h(分峰、谷時段)。按平均電費為1.5 元/kW·h 計算,則年節(jié)省充電費4970元,不到2年便可收回太陽能發(fā)電系統(tǒng)成本,此后可享受23年的發(fā)電凈收益,其投資回收期遠低于目前光伏發(fā)電5~9 年的投資回收期。25 年節(jié)省電費總收入為12.4 萬元,減去安裝成本,凈收入11.7萬元。

據資料顯示,車內空調的能耗占比高達汽車總能耗的25%。而車頂安裝薄膜太陽能后,太陽輻射能的20%被吸收發(fā)電,可起到防曬降暑的效果,從而減少車內空調的負荷,能進一步提高節(jié)能性。東莞處于亞熱帶地區(qū),常年氣溫偏高,因此太陽能電動車更加節(jié)能。

4 安裝光伏的社會效益分析

國家能源局通報顯示,2018年全國6000 kW及以上電廠發(fā)電標準煤耗308 g/kW·h-1,發(fā)電效率為42.20%,發(fā)電企業(yè)平均綜合廠用電率為4.80%(其中燃煤發(fā)電平均綜合廠用電率為6.70%),電網線路損失率6.03%[4]。燃煤發(fā)電占全國電力的70%,而光伏隨車發(fā)電是終端節(jié)能,故需要從煤炭開采、運煤、發(fā)電、送電等全過程來評價節(jié)能效果。2018年采煤洗選1 t原煤能量消耗約為30 kg[4],效率損失率為3%,由于2012年后各類統(tǒng)計報告中均無電煤運輸的相關能耗數據,可據2011 年的全國電煤運輸環(huán)節(jié)能源效率損失4.10%計算[5],從采煤到用戶終端,1 kW·h 電的總能效為32.96%,總煤耗約372.9 g/kW·h-1,故用電終端相對于發(fā)電端的耗煤系數為1.21。

2018年全國火電廠發(fā)電耗水量1.23 kg/kW·h-1,廢水排放為57 g/kW·h-1,1 kW·h火電的CO2、SO2、NOx和煙塵排放分別約841 g、0.211 g、0.206 g和0.044 g[6]。用電終端相對于發(fā)電端的耗煤系數為1.21,故各項減排系數也是1.21,即用電終端節(jié)約1 kW·h 電量可節(jié)水1.48 kg,減排廢水、CO2、SO2、NOx 和煙塵分別為69 g,1018.2 g、0.2555 g、0.2494 g、0.0533 g??捎嬎闾柲芄卉嚨墓?jié)能減排量如表2。1 輛太陽能公交車1年節(jié)可節(jié)約煤1.2 t,減排3.4 t CO2。如果全市3832輛公交車全部安裝太陽能,則25 年節(jié)電3.2×108kW·h,節(jié)省電費4.76億元,節(jié)煤11.8×104t,節(jié)水47.3×104t,減排CO232.3×104t,減排效益為1.28 億元,總體經濟和社會效益達6億元。

表2 太陽能電動公交車年節(jié)能減排量及社會效益

5 結論

公交車安裝多晶硅薄膜太陽能發(fā)電系統(tǒng)性價比高。東莞市一輛12 m 的太陽能電動公交車,年均發(fā)電3314 kW·h,節(jié)省充電費4970 元;25 年凈收入為11.7萬元,產出投入比高達17.5:1,遠高于當前一般地面光伏電站的4:1至9:1的水平,更高于光伏儲能項目2.5:1至6:1的水平。太陽能電動公交車年均資本投資固定收益率(IRR)為57.1%,也遠遠高于當前一般光伏電站8%至25%的水平。太陽能電動公交車隨車發(fā)電,雖然其發(fā)電量比一般固定傾角安裝的光伏電站發(fā)電量低60%,但其節(jié)省的充電電費是一般電費的2倍多,而且相比一般并網發(fā)電項目,節(jié)省光伏支架、逆變器和基建等近一半的開支。如果在我國太陽能資源更優(yōu)越的I類、II類地區(qū)的公交車上推廣應用,其經濟收益較高。此外,太陽輻射能的20%以上被電池板吸收,可起到防曬降暑的效果,從而大大減少車內空調負荷,能進一步提高節(jié)能性。

東莞3832 輛太陽能電動公交車25 年可節(jié)約11.8×104t標準煤,節(jié)水47.3×104t,減排CO232.3×104t。CO2、SO2、NOx、煙塵、廢水的減排效益分別為5495 萬元、64.8 萬元、79.4 萬元、1.7 萬元和4.4 萬元。節(jié)約煤炭和各項減排的綜合社會效益為1.28億元,占其發(fā)電收益的26.9%。據測算,全市3832 輛太陽能公交車CO2減排量相當于種樹70.5萬棵,不占一寸土地,就造出一片流動的“大森林”,就為全市新增一個“綠肺”[7],其生態(tài)效益明顯。

現代客車的電子系統(tǒng)日益增多,如空調、電動雨刷、電動門等,對電力的需求不斷增大。因此,混合動力客車、燃油客車等也可以安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng),車載蓄電池隨車充電,不僅提高電池壽命,還減少車載發(fā)電機對燃料的消耗,實現傳統(tǒng)客車的綠色化、低碳化。

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