加油站增设电动汽车充电及光伏发电系统的研究

严吉坤 孙 卓

（1.中国石油化工股份有限公司上海石油分公司，上海 200002；2.能科节能技术股份有限公司，北京 100085）

电动汽车具有无尾气、低噪声、低振动的优点，是国家落实节能减排计划过程中重点推广的产品。为了加快普及电动汽车，首先需要完善充电网络、设施及配套服务。加油站遍布全国各地，具有充足的网络资源，完善的服务体系，如果在加油站中增设充电设施，将传统的加油站改建为集加油、充电功能为一体的综合服务站，将会大大加快电动汽车的普及。

由于加油站的面积有限，不能让车辆长时间停放，因此在加油站中适合建设快速充电设施。而已建成的加油站配电变压器容量有限，快充设施的功率比较大，因此，在增设充电设施的同时必然要求电力扩容，这就要进行电网改造、土建等工程施工，不但大大增加了投资，延长了建设周期，还会影响到加油站原有业务的正常进行。因此，电力系统扩容问题成为制约加油站增设电动汽车充电设施的关键因素之一。

光伏发电技术利用光电效应，直接将太阳光转化为电能，发电过程中不产生任何污染，被公认为是清洁能源。如果利用加油站中的建筑，安装光伏发电系统，就有可能解决加油站的电力扩容问题，并为加油站带来可观的经济效益，为国家的节能减排计划做贡献。本文研究了在加油站中增设电动汽车充电设施和光伏发电设施的可行性，提出了整体解决方案，并在加油站中进行了试验，为今后的大规模推广做了探索。

1 加油站分析

截至2006年底，全国约有加油站10万座，其中，中石油自营及特许加油站约为 1.8万座，占全国加油站总数的 19.4%；中石化自营及特许加油站约为2.8万多座，占全国加油站总数的30.7%；其他国有、民营、外资加油站近 4.7万座，占全国加油站总数的49.9%[1]。加油站数量众多，遍布全国各地，加油站的基本布局都相同，主要由站房、罩棚、加油岛、储油罐、行车道、围墙等组成。站房一般包括营业室、值班休息室、卫生间、储藏室等。有些加油站还有停车场、快捷便利店、快餐厅、车辆修理间、洗车房等设施。按照功能，可以将加油站划分为加油区、储油区、行车及停车区、辅助区这 4个功能区域[2]。加油区通常由站房、加油岛、罩棚3部分组成；储油区用于安放油罐，存储油品，是加油站的危险区。油罐通常直埋于地下。

在加油站的停车区、辅助区通常有一些空地，可以利用这些空地来安装电动汽车充电设施；加油区的罩棚、站房以及停车区的停车棚顶部都可以安装光伏发电设备，用于弥补增设电动汽车充电设备造成的电力缺口。

2 充电系统设计

2.1 橇装式电动汽车充电站

由于加油站中可以用来建设充电设施的面积有限，因此采用“橇装式电动汽车充电站”是理想的选择。“橇装式”是一种预装、模块化、全金属、全封闭房体，用于安装中压、低压电气设备。这种结构的房屋可以使用起重设备整体吊装移动、就位，也可以使用车辆像拉雪橇似的拖拽，便于短距离移动。橇装结构房屋在石油钻采中广泛使用，非常便于移动以及野外使用。

将充电站中的充电机、配电柜等设备集中安装入橇装结构房屋中，并用专用的监控系统进行控制管理，就构成了“橇装式电动汽车充电站”，其优点如下：

（1）一体化方案设计，安全、可靠，运输方便，检维修方便。

（2）在出厂前做整体调试，现场施工便捷安全，施工周期短，不影响加油站正常营业。

（3）结构紧凑，体积小，占地面积小。

（4）供电线路短，损耗低。

（5）模块化设计，便于扩展。

（6）内设电缆夹层，内部接线美观、方便；外部电缆进出线方便（侧出线），有完善的防火措施。

（7）充电屋整体防水、防火。

（8）充电屋内设温湿度控制器、烟感报警、照明装置，屋外设爬梯。

橇装式充电站由供配电系统、充电系统、安防系统、光伏发电系统组成，由充电站运营管理系统统一管理，如图1所示。

图1 橇装式电动汽车充电站的组成

以中石化上海安亭加油站为例，供配电系统中包括低压配电柜、计量计费设备、温控设备、谐波监测设备等；充电系统包括 4台直流充电桩，6台交流充电桩，4台直流充电机，安防系统包括工控机、配电监控、充电监控、消防报警器、视频监控；光伏发电系统中包括光伏电池板、汇流箱、逆变器。

2.2 充电站运营管理系统

充电站运营管理系统（Prems-CH）是基于能源管理系统（EMS）软件平台、针对充电站的需求专门开发出来的。充电站运营管理系统分为3个层次：设备层、站级管理层、区域级充电站网点管理层。

设备层实时获取充电站内供配电设备、充电设备、安防设备、光伏发电设备、节能照明设备、能耗信息，并管理设备的运行；设备信息传递到站级管理层后，进过分析、统计、归纳，生成设备管理、运营等报表，充电站管理者可以随时了解站内设备的状态、是否有故障、是否需要检修，同时能够了解各设备的利用情况，能够分析各设备的效益。区域级充电站网点管理层主要用来管理一个区域内所有充电站网点，实时了解各充电站的设备状况、车位资源等信息，评估各充电站的效益。

充电站运营管理系统的架构如图2所示。

充电站运营管理系统可大可小，在前期的网点建设时，只需要使用站级管理模块即可，以后需要进行区域网点统一管理时，再安装区域级管理模块。

充电站运营管理系统的网络示意图如图3所示。

图2 充电站运营管理系统3层架构

图3 充电站运营管理系统网络示意图

3 光伏发电系统设计

加油站环境条件特殊，在加油站中增加光伏发电系统时，重点需要做气象条件分析、用电量需求分析、场地条件分析。

加油站中可用面积有限，因此在做光伏发电系统设计时，尽量选择利用已有建筑物屋顶，例如，加油站罩棚、站房、停车棚等。对于新建建筑，需要在设计时就考虑光伏系统所带来的强度、防雷等问题；对于已有建筑，则需要重点进行强度校核，并考虑进行必要的加固。

上海安亭加油站位于上海安亭国际汽车城，经中国石化股份有限公司批准，扩建电动汽车充电站，为体现节能环保的理念，在扩建时安装太阳能发电设施，作为国际化汽车城示范点之一。下面以上海中石化安亭站为例进行分析。

3.1 气象条件分析[3]

图4所示为上海地区11个气象站分布图。

根据这11个气象站1961年至2008年累积的观测数据，统计得出上海地区总辐射量、雨日、8—14时平均总云量、日照百分率季节分布（以上数据为1961—2008年上海地区11站平均，图中总云量、日照百分率用百分比表示）以及各季平均太阳高度角分布（11站平均）。分别如图5、图6、图7所示。

图4 上海地区气象站分布图

图5 上海地区总辐射及相关气象、天文要素的月际分布

图 6 上海地区总辐射及相关气象、天文要素的季际分布

图7 上海地区各季总辐射的空间分布

由图 7可见，夏季总辐射量（1593MJ/m2）最大，其次是春季（1275MJ/m2）、秋季（1052MJ/m2）、冬季（772MJ/m2），与各季正午的平均太阳高度角分布一致。值得注意是，虽然，春季正午的平均太阳高度角比秋季高许多（17°），但是由于春季的雨日、8—14时平均总云量比秋季多，日照百分率比秋季小，天空遮蔽度比秋季大，春季总辐射量只比秋季多220MJ/m2。

因上海地区地域面积小，太阳总辐射的空间分布略有差异。年太阳总辐射量的空间分布差异为：东北部及南部沿海地区最多、中西部及中东部最少；季太阳总辐射量的空间分布差异为：春季东北部最多，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；月太阳总辐射量的空间分布差异为：7—8月差异略为明显，南部最多、其次是北部、中部最少，其他月差异较小。

上海市中心区的纬度为31.17°。

根据上面的分析可以得出结论：设计上海地区的光伏发电站时，应以5、7、8月的月平均辐照量来计算最大发电量；充电站的选址首选上海南部地区，其次选上海东北部地区。光伏电池板的最佳倾角为34.17°。

中石化上海安亭加油站位于嘉定区，处于上海西部地区，属于辐照量较小的区域，但该加油站朝向为正南，而且周围没有高层建筑遮挡，因此适合安装光伏发电系统。

3.2 用电量需求分析

加油站中的主要负荷有照明、加油机、空调POSE机等，在加油站中建设充电站后，增加的负荷有直流充电机、交流充电桩、空调。以同等规模加油站3个月的耗电量为设计依据，见表1。

表1 某小型加油站用电量统计

该加油站每月用电量为 13160kW·h，每天用电量为438.67kW·h。

3.3 场地条件分析

安亭充电站共设10个车位，4个直流快充车位，6个交流慢充车位。为了确保在扩建期间加油站正常运营，在新建的停车棚顶部安装光伏发电设施，在站房中安装LCD显示屏供远程监控、展示用。车棚设计图如图8所示。

图8 安亭充电站停车棚

3.4 光伏阵列设计

根据停车棚顶部可利用面积，铺设 74片光伏电池板，分为4组：19片串联、19片串联、18片串联、18片串联，用4进2出防雷汇流箱汇流后，两路直流送入逆变器，转为3相380V交流电接入电网。

每片光伏电池板的功率为230Wp，阵列的总功率为17.02kWp。

4 运行结果

上海安亭充电站自2011年11月25日正式投入使用以来，充电站及光伏发电系统一直连续工作，接待了各级领导及各界同行的参观，起到了很好的示范作用。截止到2012年4月17日，上海安亭充电站已连续运行 2058h，光伏发电系统经累计发电7007kW·h。统计2011年1—4月加油量、耗电量与2012年1—4月加油量、耗电量数据，见表2。

表2 2011年与2012年1—4月加油量与耗电量统计

从表2可以看出，2011年1—4月的单位加油耗电量为 296.99kW·h/万 L，2012年 1—4月的单位加油耗电量为251.91kW·h/万L，增加光伏发电系统后，每加油万升的耗电量下降了15.18%，取得了明显的节能效果。

从图5可以看出，1—4月是上海地区太阳辐照量最小的4个月，因此在其他季节将会有更大的节电量，预计夏季的每加油万升的耗电量可以下降20%～30%。

5 结论

采用橇装式结构，能够方便快捷的对现有加油站进行改造，使加油站增加电动汽车充电服务功能，可以快速增加电动汽车充电服务网点；光伏发电技术的成功运用，能够为电动汽车提供部分清洁无污染能源，并明显的减少加油站内部的自用电量，节能效果非常明显。

[1] 邹云胜,陈中义.石油零售企业区域性加油站行业发展规划探讨[J].长江大学学报(社会科学版), 2011,34(9): 68-70.

[2] 李选民.论加油站建设与管理3-加油站的总平面布置设计[J].石油库与加油站.1999, 8(3): 43-44.

[3] 贺芳芳,薛静,穆海振.上海地区太阳总辐照及其时空分布特征[J].资源科学, 2010, 32(4): 693-700.

[4] 赵春江,朱元昊,包大年. 200kW太阳能光伏发电系统设计实践[J].节能技术, 2007, 25(4): 326-329.

[5] 李钟实.太阳能光伏发电系统设计施工与维护[M].北京:人民邮电出版社, 2010.