绿色低碳太阳能电动公交车的设计与应用分析

袁全红 苏梓宇 林博荣 许锦贤

（广东科技学院，东莞523083）

主题词：电动公交车 薄膜光伏 经济效益 社会效益

0 前言

目前我国电动客车数量快速增长，珠三角地区成为全国纯电动公交车推广应用示范区域，其中，深圳市已经实现公交车纯电动化；东莞市于2020 年10 月27日投入运营6330辆公交车全部实现纯电动化。两部委新发布的《绿色出行创建行动方案》指出：京津冀及周边地区、长三角地区、汾渭平原等重点区域新能源和清洁能源公交车占所有公交车比例不低于60%，其他区域新能源和清洁能源公交车占所有公交车比例不低于50%。

电动公交车车体长，车顶面积一般大于20 m2，适合安装光伏发电。为了使电动公交车更加绿色低碳，就要遵循“减量化、再利用、可再生”等绿色设计的原则[1]。使太阳能电动公交车更加绿色节能、低碳环保。

1 电动公交车基本参数

以一款12 m长纯电动城市公交车型为例，其主要性能参数如表1。

2 太阳能电池系统

目前，硅晶太阳能电池发电效率最高，单晶硅和多晶硅太阳能电池占市场总额80%以上。多晶硅与单晶硅发电效率接近，但由于单晶硅存在圆角空隙，相同面积组件下2者功率相同，生产过程中多晶硅的能耗、CO2排放量更低，特别是铸锭多晶硅的性价比更高，具有“多晶硅成本，单晶硅性能”。从产品的全生命周期分析，多晶硅更加经济、环保、高效。目前我国1 Wp 多晶硅光伏发电板生产能耗为1.2 kW·h/W，而薄膜光伏节省了玻璃、铝合金边框等材料和组装工艺，其生产阶段能耗减少约25%，仅为0.9 kW·h/W，其价格也下降了25%。

表1 公交车主要性能参数

本设计采用协鑫公司GCL-M3/72H NOVA 405 W铸锭单晶薄膜光伏组件，其组件效率达到20.1%，基本尺寸为2010 mm×1000 mm×35 mm。电池板为柔性薄膜材料，可直接胶合在客车顶部，须避开车顶排风口。客车有效安装面积为22 m2，车顶可安装多晶硅薄膜光伏发电板11块，总功率为4455 W。

太阳能发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能充电控制器、蓄电池组成。电动车本身已装备蓄电池组，只需加装太阳能充电控制器，其功能主要有：实时对最大功率点跟踪控制(MPPT)，防止过充、过放、短路及防反流保护。充电控制器额定电压为400 V，额定电流10 A，额定功率4 kW，质量10 kg。太阳能电动公交车如图1。

图1 太阳能电动公交车

3 安装光伏的经济效益分析

安装太阳能发电系统成本约7100 元/台，其中电池板5600元/台，控制器1500元/台，电池平均成本约1.4元/Wp，比一般光伏组件成本低约25%。

广东省属于我国三类太阳能资源带，按照东莞市水平面年均峰值日照时间为1210 h 计算[2]，考虑到公交车被建筑物和树木遮挡的情况，取折算系数为0.7，首年发电量为3800 kW·h，25 年寿命期共可发电82845 kW·h，年均可发电3314 kW·h，故一辆太阳能公交车度电成本（LCOE）仅为0.086 元/kW·h，远远低于目前一般光伏发电项目的0.2～0.6 元/kW·h 的水平[3]。日均可发电9.1 kW·h，按照电动客车平均能耗0.7 kW·h/km 计算，即可增加续航约13 km，故可适当减小电池组容量以减轻车体重量，提高有效运力。

按照东莞充电桩收费标准，考虑0.8 元/kW·h 的服务费，东莞充电桩充电价格为1.4～1.8 元/kW·h（分峰、谷时段）。按平均电费为1.5 元/kW·h 计算，则年节省充电费4970元，不到2年便可收回太阳能发电系统成本，此后可享受23年的发电净收益，其投资回收期远低于目前光伏发电5～9 年的投资回收期。25 年节省电费总收入为12.4 万元，减去安装成本，净收入11.7万元。

据资料显示，车内空调的能耗占比高达汽车总能耗的25%。而车顶安装薄膜太阳能后，太阳辐射能的20%被吸收发电，可起到防晒降暑的效果，从而减少车内空调的负荷，能进一步提高节能性。东莞处于亚热带地区，常年气温偏高，因此太阳能电动车更加节能。

4 安装光伏的社会效益分析

国家能源局通报显示，2018年全国6000 kW及以上电厂发电标准煤耗308 g/kW·h-1，发电效率为42.20%，发电企业平均综合厂用电率为4.80%（其中燃煤发电平均综合厂用电率为6.70%），电网线路损失率6.03%[4]。燃煤发电占全国电力的70%，而光伏随车发电是终端节能，故需要从煤炭开采、运煤、发电、送电等全过程来评价节能效果。2018年采煤洗选1 t原煤能量消耗约为30 kg[4]，效率损失率为3%，由于2012年后各类统计报告中均无电煤运输的相关能耗数据，可据2011 年的全国电煤运输环节能源效率损失4.10%计算[5]，从采煤到用户终端，1 kW·h 电的总能效为32.96%，总煤耗约372.9 g/kW·h-1，故用电终端相对于发电端的耗煤系数为1.21。

2018年全国火电厂发电耗水量1.23 kg/kW·h-1，废水排放为57 g/kW·h-1，1 kW·h火电的CO2、SO2、NOx和烟尘排放分别约841 g、0.211 g、0.206 g和0.044 g[6]。用电终端相对于发电端的耗煤系数为1.21，故各项减排系数也是1.21，即用电终端节约1 kW·h 电量可节水1.48 kg，减排废水、CO2、SO2、NOx 和烟尘分别为69 g，1018.2 g、0.2555 g、0.2494 g、0.0533 g。可计算太阳能公交车的节能减排量如表2。1 辆太阳能公交车1年节可节约煤1.2 t，减排3.4 t CO2。如果全市3832辆公交车全部安装太阳能，则25 年节电3.2×108kW·h，节省电费4.76亿元，节煤11.8×104t，节水47.3×104t，减排CO232.3×104t，减排效益为1.28 亿元，总体经济和社会效益达6亿元。

表2 太阳能电动公交车年节能减排量及社会效益

5 结论

公交车安装多晶硅薄膜太阳能发电系统性价比高。东莞市一辆12 m 的太阳能电动公交车，年均发电3314 kW·h，节省充电费4970 元；25 年净收入为11.7万元，产出投入比高达17.5:1，远高于当前一般地面光伏电站的4:1至9:1的水平，更高于光伏储能项目2.5:1至6:1的水平。太阳能电动公交车年均资本投资固定收益率（IRR）为57.1%，也远远高于当前一般光伏电站8%至25%的水平。太阳能电动公交车随车发电，虽然其发电量比一般固定倾角安装的光伏电站发电量低60%，但其节省的充电电费是一般电费的2倍多，而且相比一般并网发电项目，节省光伏支架、逆变器和基建等近一半的开支。如果在我国太阳能资源更优越的I类、II类地区的公交车上推广应用，其经济收益较高。此外，太阳辐射能的20%以上被电池板吸收，可起到防晒降暑的效果，从而大大减少车内空调负荷，能进一步提高节能性。

东莞3832 辆太阳能电动公交车25 年可节约11.8×104t标准煤，节水47.3×104t，减排CO232.3×104t。CO2、SO2、NOx、烟尘、废水的减排效益分别为5495 万元、64.8 万元、79.4 万元、1.7 万元和4.4 万元。节约煤炭和各项减排的综合社会效益为1.28亿元，占其发电收益的26.9%。据测算，全市3832 辆太阳能公交车CO2减排量相当于种树70.5万棵，不占一寸土地，就造出一片流动的“大森林”，就为全市新增一个“绿肺”[7]，其生态效益明显。

现代客车的电子系统日益增多，如空调、电动雨刷、电动门等，对电力的需求不断增大。因此，混合动力客车、燃油客车等也可以安装太阳能发电系统，车载蓄电池随车充电，不仅提高电池寿命，还减少车载发电机对燃料的消耗，实现传统客车的绿色化、低碳化。