小区光伏充电桩的可行性研究—以徐州清水湾社区为例

指导教师： 董艳

组长：徐宏赫

组员：杨传众、曹一龙、黄炳森、丁心怡、杨馥菲、段佳彤、张艺轩、宋词、孟田宇

班级： 高二（1）班

完成时间： 2026年3月8日

执笔人：徐宏赫

论文摘要

随着新能源汽车的普及，小区充电桩不足的问题日益突出。本研究以徐州清水湾社区为例，从资源潜力、天气影响和环保效益三个角度探究光伏充电桩的建设可行性。研究首先通过连续记录2月20日至2月28日徐州每日光伏发电量，评估徐州春季光照资源对光伏充电桩的支撑能力，并推算满足一辆普通新能源汽车日常充电所需的光伏板面积；其次，对比晴天、多云、阴天三种天气条件下光伏板的发电效率，分析光照强度对发电稳定性的影响；最后，基于实测数据计算光伏充电桩替代传统电网充电所带来的标准煤节省量和二氧化碳减排量。研究结果表明，徐州春季光照条件基本满足光伏充电需求，但天气变化对发电效率影响较大；光伏充电桩在节能减排方面具备明显优势，具备一定的推广价值。

关键词：光伏充电桩；发电潜力；天气影响；节能减排

一、研究背景

1.1 现实背景

近年来，新能源汽车的保有量快速增长，越来越多的家庭选择购买电动汽车。但在很多老旧小区，充电桩数量不足、充电位紧张成了车主们日常面临的难题。与此同时，国家正在大力推动能源结构转型，光伏发电作为一种清洁能源，被广泛应用于各个领域。一个很自然的想法是：能不能在小区里建设光伏充电桩，利用太阳能给汽车充电，既缓解充电压力，又实现绿色用电 。

徐州地处江苏省北部，日照资源较为丰富，年均日照时数约2200小时，具备发展光伏发电的自然条件。同时，徐州作为老工业基地，正处于从煤炭依赖向绿色能源转型的关键期，探索光伏充电桩的可行性，对城市可持续发展具有一定现实意义。清水湾社区是徐州一个典型的中型居民小区，新能源汽车数量逐年增加，但公共充电设施相对滞后，选择它作为研究对象具有较好的代表性。

1.2 理论背景

光伏充电桩的研究涉及多个学科的知识。物理方面，光伏板利用光电效应将太阳能转化为电能，充电过程涉及电路、功率、能量转化等原理，光照强度直接影响发电效率；地理方面，徐州的地理位置、气候特点、日照时长决定了光伏发电的资源潜力；数学方面，需要统计发电量数据、、计算光伏板面积与充电需求的匹配度；

目前，国家出台了《“十四五”可再生能源发展规划》，明确提出支持“光伏+储能+充电”一体化发展。江苏省和徐州市也发布了多项政策，鼓励分布式光伏建设，并对新能源充电设施给予补贴和支持。这些政策为光伏充电桩的推广提供了制度保障。

1.3 研究目的

基于以上背景，本研究拟通过实地测量和数据分析，围绕以下三个问题展开探究：

1. 资源潜力问题：徐州春季的光照条件如何？每天的光伏发电量能支撑一辆新能源汽车充多少电？要满足一辆车日常充电需求，需要安装多大面积的光伏板？

2. 天气影响问题：晴天、多云、阴天对光伏板的发电效率有多大影响？光照强度的变化会不会导致充电不稳定？这对光伏充电桩的实际使用有什么限制？

3. 环保效益问题：如果用光伏充电代替传统电网充电，到底能省多少电？换算成标准煤和二氧化碳减排量，环保价值有多大？

通过这三个角度的研究，最终综合判断在清水湾社区建设光伏充电桩是否可行，并为类似小区的绿色能源建设提供参考。

二 研究过程

2.1实验材料与设备

序号	设备名称	规格/型号	数量	用途
1	光伏发电板	60cm × 60cm	1	太阳能发电
2	电阻	5Ω	1	保护电路
3	电流表	0-0.6A	1	测量电流
4	电压表	0-3v	1	测量电压
5	照度计	手持式	1	测量光照强度
6	秒表	手机计时	1	记录时间
7	数据记录本	/	1	记录原始数据

2.2 实验一：徐州春季光伏发电潜力评估

实验目的：连续记录2月20日至2月28日每日光伏发电量，评估徐州春季光照资源对光伏充电桩的支撑能力，推算满足一辆普通新能源汽车日常充电所需的光伏板面积。

实验方法：

1. 每天在固定时间（中午12:00-13:00）将光伏板置于无遮挡处，连接5Ω电阻形成闭合电路，每十分钟记录一次数据取平均值。

2. 使用电压表和电流表测量数据并记录电压（V）和电流（A），计算即时功率P = V × I。

3.估算日发电量：日发电量（Wh）= 即时功率（W）×1h。

4. 查询一辆普通新能源汽车（以比亚迪秦PLUS EV为例）的电池容量为57.6kWh，计算充满一辆车所需光伏板总面积。

表1 2月20日—2月28日每日光伏发电数据记录表

日期	天气	光照强度（lux）	电压（V）	电流（A）	即时功率（W）	估算日发电量（Wh）
2月20日	晴	101000	0.80	0.16	0.48	0.48
2月21日	晴	103000	0.79	0.15	0.1185	0.1185
2月22日	晴	102000	0.79	0.156	0．1234	0.1234
2月23日	小雨	16000	0.61	0.024	0.01464	0.01464
2月24日	阴	18000	0.56	0.022	0.01232	0.01232
2月25日	阴	15000	0.54	0.02	0.0108	0.0108
2月26日	多云	48000	0.76	0.09	0.0684	0.0684
2月27日	阴	10300	0.56	0.022	0.01232	0.01232
2月28日	阴	15500	0.61	0.023	0.01403	0.01403

2.2.1 数据分析

我们在2月20日至2月28日连续九天中午12:00-13:00，使用60cm×60cm的光伏板测量了正午一小时的发电量。从记录数据可以看出，天气对光伏发电量的影响非常明显。

晴天发电情况：2月20日至22日三天都是晴天，光照强度在100000 lux以上，正午一小时的即时功率在0.1185W到0.48W之间。其中2月20日数据较高，达到0.48W，但后面两天回落到0.12W左右。经过检查，2月20日的数据可能是测量误差或者当时光照条件特别好，因此我们在计算平均值时把这一天作为特殊情况处理。2月21日和22日两天的平均即时功率约为0.12W，对应正午一小时发电量约0.12Wh。

阴雨天发电情况：2月23日下小雨，光照强度降到16000 lux，即时功率只有0.01464W，一小时发电量0.01464Wh，只有晴天的12%左右。2月24日、25日、27日、28日都是阴天，光照强度在10000-18000 lux之间，即时功率在0.0108W到0.01464W之间，一小时发电量约0.01-0.014Wh，仅为晴天的10%左右。

多云天气发电情况：2月26日是多云，光照强度48000 lux，即时功率0.0684W，一小时发电量0.0684Wh，大约是晴天的57%。

从这九天的数据可以看出一条规律：光照强度越高，发电量越大。当光照强度从100000 lux降到50000 lux左右时，发电量大约下降到晴天的60%；当光照强度降到15000 lux左右时，发电量只有晴天的10%左右。这说明光伏发电对天气变化非常敏感，阴天时发电能力会大幅下降。

2.2.2 日均发电量估算

由于我们只测量了正午一小时的发电量，要估算一整天的总发电量，需要考虑全天光照强度的变化。一般来说，正午前后几个小时光照较强，上午和下午光照较弱。根据气象资料和光伏发电的常规计算方法，我们取一个修正系数0.4，即全天有效发电时长约为正午光照强度的4倍（上午两小时、下午两小时，但效率低于正午）。

以2月21日晴天为例：

· 正午一小时发电量：0.1185Wh

· 估算全天发电量 = 0.1185Wh × 4 = 0.474Wh

以2月26日多云为例：

· 正午一小时发电量：0.0684Wh

· 估算全天发电量 = 0.0684Wh × 4 = 0.2736Wh

以2月25日阴天为例：

· 正午一小时发电量：0.0108Wh

· 估算全天发电量 = 0.0108Wh × 4 = 0.0432Wh

2.2.3 满足新能源汽车充电需求所需的光伏板面积

我们以比亚迪秦PLUS EV为例，它的电池容量是57.6kWh，也就是57600Wh。如果完全用光伏板给它充电，需要多少块60cm×60cm的光伏板呢？

晴天情况：

· 单块板晴天日均发电量：0.474Wh

· 充满一辆车所需天数 = 57600Wh ÷ 0.474Wh/天 ≈ 121518天 ≈ 333年

· 这个数字显然不现实，说明单靠一块小光伏板给汽车充电根本不现实。但如果增加光伏板数量，情况就不一样了。

假设我们想在一天内充满一辆车（不考虑实际用电需求，只是理论计算）：

· 所需光伏板数量 = 57600Wh ÷ 0.474Wh/块 = 121518块

· 每块板面积0.36㎡，总面积 = 121518 × 0.36 ≈ 43746㎡，大约相当于6个标准足球场的面积，这显然不现实。

但实际生活中，一辆车并不需要每天从0%充到100%。根据调查，普通家庭每天行驶里程约50公里，耗电量大约8-10度电（8000-10000Wh）。我们按每天需要10度电来计算：

晴天情况：

· 单块板晴天日均发电量：0.474Wh

· 满足每天10度电所需光伏板数量 = 10000Wh ÷ 0.474Wh/块 ≈ 21097块

· 总面积 = 21097 × 0.36 ≈ 7595㎡，仍然太大，相当于一个多标准足球场。

这个计算结果说明，目前我们使用的60cm×60cm小光伏板发电能力非常有限，远远达不到实际应用的需求。但如果是正规的光伏电站，光伏板的功率要大得多。市面上常见的光伏板单块功率在300W-500W之间，以一块400W的光伏板为例：

· 单块板晴天日均发电量（按4小时有效光照计算）= 400W × 4h = 1600Wh = 1.6kWh

· 满足每天10度电所需光伏板数量 = 10kWh ÷ 1.6kWh/块 ≈ 6.25块，约7块

· 每块板面积约2㎡，总面积约14㎡

这个面积就比较现实了，一个小型车棚顶或者几块楼顶空间就可以满足。

2.2.4 实验一小结

通过实验一的数据分析和推算，我们得出以下结论：

1. 天气对发电量影响显著：晴天发电量最大，多云约为晴天的60%，阴天只有晴天的10%左右。

2. 小型光伏板发电能力有限：一块60cm×60cm的小光伏板晴天日均发电量不到0.5Wh，远远不能满足新能源汽车的充电需求。

3. 实际应用需采用大功率光伏板：如果使用市面上常见的400W光伏板，满足一辆车每天10度电的充电需求大约需要7块板，总面积约14㎡，在小区车棚或楼顶是可以实现的。

2.3 实验二：光伏充电桩节能减排效益量化分析

2.3.1 年发电量估算

根据实验一得出的九天真数据，我们计算出60cm×60cm光伏板在不同天气下的平均发电能力。晴天正午一小时平均发电量约0.12Wh，阴天约0.013Wh，多云约0.068Wh。结合徐州大概全年晴天占30%、多云占30%、阴雨天占40%的气候特点，估算出一块小板全年发电量约为0.09kWh。

这个数字虽然很小，但我们的目的是通过它推算出实际可用的商用光伏板的环保效益。因为市面上常见的400W光伏板面积约2平方米，功率是我们实验板的3000多倍。按比例换算，一块400W光伏板在徐州一年可发电约302kWh。

2.3.2 节能减排效益计算

根据国家能源局公布的数据，我国火力发电每度电平均消耗标准煤0.32kg，排放二氧化碳0.785kg。我们以此为标准计算光伏充电桩的环保效益。

单块400W光伏板：

· 年发电量：302 kWh

· 年节省标准煤：302 × 0.32 = 96.64 kg

· 年减少二氧化碳排放：302 × 0.785 = 237.07 kg

一个小型车棚充电桩（安装10块400W光伏板）：

· 总功率：4 kW

· 年发电量：302 × 10 = 3020 kWh

· 年节省标准煤：96.64 × 10 = 966.4 kg ≈ 0.97吨

· 年减少二氧化碳排放：237.07 × 10 = 2370.7 kg ≈ 2.37吨

2.3.3 相当于植树多少棵

根据环保资料，一棵成年树每年大约可以吸收10kg二氧化碳。我们把光伏板的碳减排量换算成植树效果，这样更直观。10块400W光伏板年碳减排量2370.7kg，相当于植树2370.7 ÷ 10 = 237棵。也就是说，在一个小车棚顶上安装10块光伏板，一年减少的二氧化碳排放量，相当于种了237棵树。

如果扩大到整个小区的楼顶，假设安装50块400W光伏板，总功率20kW：

· 年发电量：302 × 50 = 15100 kWh

· 年节省标准煤：96.64 × 50 = 4832 kg ≈ 4.83吨

· 年减少二氧化碳排放：237.07 × 50 = 11853.5 kg ≈ 11.85吨

· 相当于植树：11853.5 ÷ 10 = 1185棵

2.3.4 与家庭用电对比

为了让环保效益更贴近生活，我们把它和普通家庭的用电量进行对比。根据调查，一个普通三口之家一年用电量大约在2000-3000kWh之间。

10块400W光伏板年发电量3020kWh，基本可以满足一个家庭全年的用电需求。也就是说，如果一个小车棚装上10块光伏板，一年发的电够一个家庭用一整年，同时还能节省近1吨标准煤，减少2.37吨二氧化碳排放。

2.3.5 实验二小结

通过实验二的节能减排效益分析，我们得出以下结论：

第一，光伏充电桩的环保效益与安装规模直接相关。一块60cm×60cm的小光伏板作用很小，但换成商用大板后效果显著提升。

第二，10块400W光伏板一年可发电3020度，够一个家庭用一年，同时减少2.37吨二氧化碳排放，相当于种了237棵树。

第三，如果能在清水湾社区的车棚、楼顶等空间推广安装光伏充电桩，不仅能为新能源汽车提供绿色电力，还能为城市的节能减排做出实际贡献。

第四，从环保角度来说，光伏充电桩值得推广，但需要达到一定规模才能体现出真正的价值。

三、研究结论与建议

3.1 研究结论

通过本次研究性学习，我们从资源潜力、天气影响、环保效益和政策支持四个角度，对在徐州清水湾社区建设光伏充电桩的可行性进行了探究。结合问卷调查、专家访谈、实地测量和数据分析，得出以下结论：

第一，居民认知有待提升，科普宣传需要加强。

我们在研究初期进行的问卷调查显示，超过60%的同学和居民对徐州能源结构了解不多，只有不到30%的人能准确说出光伏发电的基本原理。这说明虽然光伏发电在新闻里经常出现，但普通人对其实际应用仍然比较陌生。在后续推广光伏充电桩时，需要配套开展社区科普活动，让居民真正了解光伏发电的好处。

第二，徐州光照条件基本满足光伏发电需求，但天气影响较大。

通过2月20日至28日连续九天的实测数据，我们发现晴天正午一小时发电量约0.12Wh，多云约0.068Wh，阴天只有0.01-0.014Wh。晴天发电量是阴天的10倍左右，说明天气对光伏发电的影响非常明显。徐州春季光照条件总体不错，但如果要建光伏充电桩，必须考虑阴雨天气时的补电方案，比如搭配储能电池或接入电网作为备用。

第三，商用光伏板具备实际应用价值，小区空间基本够用。

虽然我们实验用的60cm×60cm小光伏板发电能力有限，但换算成市面上常见的400W商用光伏板后，情况就不同了。满足一辆新能源汽车每天10度电的充电需求，大约需要7块400W光伏板，总面积约14平方米。清水湾社区空地、楼顶等空间完全可以满足这个需求，甚至还有富余。

第四，节能减排效益显著，环保价值可观。

以10块400W光伏板为例，一年可发电3020度，够一个普通家庭用一整年。同时能节省标准煤0.97吨，减少二氧化碳排放2.37吨，相当于种了237棵树。如果能在整个社区推广，安装50块板，一年减排11.85吨二氧化碳，相当于种了1185棵树。这个环保效益是很可观的。

第五，政策支持力度大，发展前景向好。

我们在研究过程中专门梳理了国家、江苏省和徐州市的相关政策。国家《“十四五”可再生能源发展规划》明确提出支持“光伏+储能+充电”一体化发展；江苏省鼓励分布式光伏建设，简化审批流程；徐州市作为老工业基地转型城市，对新能源项目有专项资金补贴。2月18日我拜访河北工程大学孟文芳主任时，她也提到光伏充电桩是未来的发展趋势，技术上越来越成熟，成本也在逐年下降。从政策层面来看，现在确实是推广光伏充电桩的好时机。

第六，从政治角度看，光伏充电桩符合国家战略方向。

当前国家正在推动“双碳”目标，也就是2030年前碳达峰、2060年前碳中和。发展光伏充电桩，用清洁能源替代火电给汽车充电，既能减少化石能源消耗，又能降低碳排放，完全符合国家的大政方针。徐州作为传统工业城市，正处于转型升级的关键期，推广光伏充电桩这样的绿色项目，既能改善环境质量，又能带动相关产业发展，创造就业机会，是一举多得的好事。

3.2 存在的问题与不足

当然，在研究过程中我们也发现了一些问题和不足：

第一，我们的实验设备比较简单，只有一块60cm×60cm的小光伏板，测量时间也只有九天，数据量不够大，可能和实际情况有出入。

第二，我们在估算日均发电量时用了修正系数，这个系数是参考常规做法取的，不一定完全符合徐州本地的实际情况。

第三，新能源汽车的充电需求是动态变化的，我们只按每天10度电的平均值计算，没有考虑不同季节、不同车型的差异。

第四，为便于测量，选择了在楼上窗台，不可避免地有所遮挡，但实验数据保真

3.3 建议

基于以上结论，我们对在清水湾社区建设光伏充电桩提出以下建议：

第一，先试点后推广。

可以在社区车棚先建一个小型光伏充电桩试点，安装7-10块400W光伏板，配套一个小型储能电池，测试实际运行效果。如果效果好，再逐步扩大规模。

第二，加强科普宣传。

建议社区和学校合作，开展光伏科普讲座或体验活动，让居民亲眼看到光伏发电是怎么工作的，了解它的好处，提高大家对新能源的接受度。

第三，争取政策支持。

徐州市对新能源项目有补贴政策，社区或物业可以主动对接相关部门，争取资金支持，降低建设成本。

第四，合理规划空间。

可以利用社区的车棚顶、楼顶、空地等空间安装光伏板，既能发电又不占用额外土地。光伏板还能起到遮阳挡雨的作用，一举两得。

第五，配套储能设施。

考虑到光伏发电受天气影响大，建议配套建设小型储能电站，把白天多余的电存起来，晚上或阴天用，提高充电的稳定性。

3.4 研究展望

这次研究性学习让我们收获很大。我们不仅学到了光伏发电的原理，还学会了设计问卷、查阅政策、做实验、分析数据，更重要的是一步步把自己的想法变成了实实在在的研究成果。

在研究过程中，我们拜访了大学的专家，走访了小区的角落，在线上和组员们一次次讨论，这些都是课本上学不到的体验。虽然我们的实验条件有限，数据可能不够精确，但我们真正体会到了用科学知识解决现实问题的过程。

如果以后有机会，我们还想继续深入这个课题，比如研究储能系统的配置方案，或者对比不同品牌光伏板的实际效率。也希望我们的研究能为清水湾社区甚至徐州的绿色能源建设提供一点参考。

最后，感谢董艳老师的指导，感谢孟文芳主任的帮助，也感谢小组每一位成员的付出。这次研究性学习，将成为我们高中生活中一段难忘的经历。

四、参考文献

[1] 王迎州. 小容量储能的光储式电动汽车充电站控制策略研究[D/OL]. 恩施: 湖北民族大学, 2024[2026-03-08] https://kns.cnki.net.

[2] 马程, 芦海漫, 钟宏鸣. 光储充一体化充电桩的能源智能协同机制研究[J/OL]. [2026-03-08] https://kns.cnki.net/.

附：实验照片