光伏發(fā)電系統(tǒng)在沙漠公路防護(hù)林灌溉中的應(yīng)用

何中凱 崔永峰 王沖 祝偉 王豐（塔里木油田分公司質(zhì)量安全環(huán)保處）

低碳經(jīng)濟(jì)、綠色發(fā)展是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵詞，節(jié)約能源、致力于可持續(xù)發(fā)展是中國石油的莊嚴(yán)承諾。近年來新能源和低碳環(huán)保技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，為各油氣田企業(yè)實(shí)施節(jié)能技術(shù)改造提拱了可靠的技術(shù)保障。

塔里木沙漠公路兩側(cè)的防護(hù)林原來一直使用柴油機(jī)發(fā)電抽取地下水實(shí)施灌溉，每年消耗大量柴油并造成環(huán)境污染。充分利用南疆盆地豐富的太陽能資源，將太陽能光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于沙漠公路防護(hù)林的綠化灌溉是研究新能源、新技術(shù)在塔里木油田的應(yīng)用效果，增強(qiáng)自身可持續(xù)發(fā)展能力，踐行節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展理念，建設(shè)國際一流綜合性大油氣田的需要。

1 沙漠公路防護(hù)林太陽能光伏發(fā)電灌溉研究背景

塔里木沙漠公路是世界上連續(xù)穿越流動(dòng)沙漠最長的公路，工程于1995年建成，北起“西氣東輸”的起點(diǎn)輪南鎮(zhèn)，南至昆侖山下，全長552 km，是國家開發(fā)塔里木盆地油氣資源的重要物資運(yùn)輸通道，也是帶動(dòng)南疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大動(dòng)脈。經(jīng)過10多年的艱苦努力，科學(xué)家們攻克極度干旱條件下利用高礦化度地下水大規(guī)模植樹造林技術(shù)，2006年塔里木沙漠公路防護(hù)林生態(tài)工程全面建成。如今，伴隨蜿蜒起伏的塔里木沙漠公路，1條長436 km、寬72～78m的“綠色長廊”縱穿“死亡之?！?，成為世界上流動(dòng)性沙漠中最長的防護(hù)林帶，林帶總面積3 000 ha，種植沙拐棗、怪柳、梭梭等高抗逆性固沙植物約2 000萬株。這項(xiàng)國家重點(diǎn)工程堪稱人類征服自然、防沙治沙的又一偉大壯舉，塔里木沙漠公路防護(hù)林生態(tài)工程2008年榮獲第二屆“國家環(huán)境友好工程獎(jiǎng)”，是建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境保護(hù)的國家最高獎(jiǎng)，是我國石油石化行業(yè)唯一獲此殊榮的建設(shè)項(xiàng)目。

為確保防護(hù)林的灌溉用水需求，沿線共設(shè)置綠化供水泵房130座，其中使用網(wǎng)電供水泵房33座，其余97座綠化泵房因無電網(wǎng)依托均采用柴油發(fā)電抽取地下水，柴油發(fā)電機(jī)組功率24 kW，全線水泵功率為7.5～13 kW不等。97座綠化站每年發(fā)電消耗柴油1 200 t，排放二氧化碳5 000 t。新疆是我國享受晴天最長的地方，年平均日照時(shí)間3 000 h，居全國之首，塔里木盆地充裕的太陽能和廣闊的空地資源，十分適宜建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和低碳發(fā)展，塔里木油田公司在前期調(diào)研和技術(shù)論證基礎(chǔ)上，開展了建設(shè)太陽能光伏發(fā)電替代柴油發(fā)電的試驗(yàn)工作。

2 沙漠公路防護(hù)林太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)介紹

防護(hù)林太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池板（組件）、光伏控制器、逆變器、變頻器和蓄電池構(gòu)成（圖1）。太陽能電池組經(jīng)日光照射后，形成低壓直流電，電池組并聯(lián)后的直流電采用電纜送至匯流箱，經(jīng)匯流箱匯流后采用電纜引至光伏控制器，由光伏控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組的充放電控制，蓄電池組的直流電壓輸出至逆變器，逆變后的三相交流電經(jīng)電纜引至變頻器，最后經(jīng)變頻器啟動(dòng)水泵完成抽水。其中正弦波逆變控制器為三相可偏載運(yùn)行，其輸出可為生活用電設(shè)備如照明、電視、監(jiān)控、采暖器等提供電源[1]。

太陽能電池板（組件）：電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分（圖2）。其作用是將太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為電能。太陽能電池板的質(zhì)量和成本直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。

太陽能光伏控制器：光伏控制器是用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)中控制太陽能電池方陣對(duì)蓄電池充電以及蓄電池給太陽能逆變器負(fù)載供電的自動(dòng)控制設(shè)備。光伏控制器對(duì)蓄電池起到過充電、過放電保護(hù)作用，其好壞決定太陽能系統(tǒng)的運(yùn)行安全和使用壽命[2]。

逆變器：所選用的正弦波逆變電源克服了方波和模擬正弦波儀器的不足，其輸出完全可以和市電媲美，能夠提供高質(zhì)量的交流電，效率高、噪音小，已成為市場(chǎng)中的主流產(chǎn)品。

蓄電池：其作用是將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來，需要時(shí)再釋放。防護(hù)林光伏發(fā)電系統(tǒng)采用的膠體蓄電池同普通鉛酸蓄電池相比，在安全性、蓄電量、放電性能和使用壽命等方面都優(yōu)于普通鉛酸蓄電池（圖3）。

3 沙漠公路防護(hù)林太陽能光伏發(fā)電站的建設(shè)和實(shí)驗(yàn)

3.1 6#、31#泵房太陽能光伏電站建設(shè)

塔里木油田公司于2010年選取沙漠公路防護(hù)林6#、31#兩座柴油發(fā)電泵站開展太陽能光伏電站的建設(shè)和實(shí)驗(yàn)，2010年5月完工進(jìn)入調(diào)試運(yùn)行與試驗(yàn)改進(jìn)階段。6#井光伏電站光伏方陣初期功率為23.31 kW，光伏方陣采用自動(dòng)追光技術(shù)，2010年9月加裝10 kW風(fēng)能發(fā)電機(jī)開展風(fēng)光互補(bǔ)試驗(yàn)，經(jīng)后期進(jìn)一步擴(kuò)容改造后光伏方陣功率提升至37.53 kW，電站拖動(dòng)水泵額定功率為7.5 kW。31#井光伏電站光伏方陣初期功率為19.98 kW，經(jīng)后期進(jìn)一步擴(kuò)容改造后光伏方陣功率提升至36.72 kW，電站拖動(dòng)水泵額定功率為7.5 kW[3]。

3.2 6#、31#泵房太陽能光伏電站實(shí)驗(yàn)

2010年5月至10月為項(xiàng)目試驗(yàn)期（表1、圖4），試驗(yàn)規(guī)定使用太陽能光伏發(fā)電日灌溉時(shí)數(shù)與使用柴油發(fā)電日灌溉時(shí)數(shù)相同，均為12 h，同時(shí)確保防護(hù)林長勢(shì)和成活率。初期由于對(duì)光伏發(fā)電設(shè)備的擴(kuò)容、調(diào)試，替代率不高，隨著設(shè)備的不斷改進(jìn)，2座太陽能光伏電站穩(wěn)定性和可靠性逐步增強(qiáng)，從試驗(yàn)期替代率數(shù)據(jù)分析，到2010年10月替代率已達(dá)88.52%、97.60%。

試驗(yàn)期苗木成活率、長勢(shì)達(dá)到油田公司綠化主管部門驗(yàn)收考核標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，試驗(yàn)取得成功證明在沙漠公路建設(shè)大功率太陽能光伏電站替代柴油機(jī)發(fā)電具有可行性，具備推廣價(jià)值，并從中得到以下認(rèn)識(shí)：

◇在正常天氣條件下（無連續(xù)陰雨3天以上），光伏電站系統(tǒng)完全可以滿足每天12 h的灌溉時(shí)數(shù)以及管護(hù)人員生活用電需求。

表1 6#、31#太陽能光伏電站試驗(yàn)期運(yùn)行數(shù)據(jù)

◇在試驗(yàn)的160天期間出現(xiàn)過連續(xù)陰雨3天以上的數(shù)量為2次，由于設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)容量原因，在第四天出現(xiàn)了用柴油機(jī)補(bǔ)充發(fā)電以滿足設(shè)定的12 h灌溉時(shí)數(shù)的情況。

◇由于沙漠公路自然環(huán)境惡劣，3—5月份沙塵天氣居多，造成追光儀頻繁損壞失效，實(shí)踐證明光伏電池追光技術(shù)不大適應(yīng)盆地氣候條件。同時(shí)風(fēng)能發(fā)電效果也不理想，風(fēng)光互補(bǔ)模式同樣不太適合灌溉系統(tǒng)要求，要實(shí)現(xiàn)100%替代，還需對(duì)原設(shè)計(jì)路線進(jìn)行優(yōu)化。

4 沙漠公路防護(hù)林太陽能光伏發(fā)電灌溉推廣應(yīng)用

在6#、31#太陽能光伏電站試驗(yàn)取得成功的基礎(chǔ)上，2011年塔里木油田公司決定先行推廣建設(shè)太陽能光伏電站10座。新建的10個(gè)太陽能光伏電站對(duì)設(shè)計(jì)思路與技術(shù)路線進(jìn)行了優(yōu)化，光伏電站全部采用固定式光伏方陣設(shè)計(jì)模式；同時(shí)修正了6#及31#站技術(shù)路線的不足，進(jìn)一步加大各站太陽能方陣規(guī)模，各站光伏方陣總功率均在35 kW以上。根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果取消了風(fēng)力發(fā)電互補(bǔ)模式，2011年5月10座太陽能光伏電站全部建成，6月投入正常運(yùn)行。截至2012年8月，12座泵房太陽能光伏電站已經(jīng)歷了2年時(shí)間的運(yùn)行，數(shù)據(jù)和實(shí)踐證明太陽能光伏發(fā)電完全滿足灌溉需求，苗木長勢(shì)旺盛，管理更為科學(xué)、便捷，依靠太陽能供電具有很高的可靠性，并獲得如下成果：

◇2011年6月至2012年8月太陽能發(fā)電對(duì)柴油機(jī)的替代率均為100%，12口井全部依靠太陽能發(fā)電灌溉，柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)間為0 h；

◇2012年初對(duì)12口太陽能發(fā)電井安裝計(jì)量水表，驗(yàn)證采水量效果，以要求的日供水量300m3為基準(zhǔn)，全部井均超額完成考核目標(biāo)，可以確保供水量充足（表2）；

◇苗木成活率、長勢(shì)等考核指標(biāo)達(dá)到油田公司綠化主管部門考核、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；

◇在同時(shí)滿足上述考核指標(biāo)的情況下，防護(hù)林灌溉周期、模式還具有可優(yōu)化性，通過科學(xué)管理還能進(jìn)一步確保太陽能供電的可靠。

表2 2012年3—8月12座太陽能光伏電站日均供水情況 單位：m3/d

5 沙漠公路防護(hù)林太陽能光伏發(fā)電灌溉效益分析

5.1 可靠性

1）柴油機(jī)發(fā)電：以消耗柴油發(fā)電為水泵提供動(dòng)力，發(fā)電不受天氣影響，只要燃料配送及時(shí)，柴油機(jī)維護(hù)保養(yǎng)到位，管護(hù)人員精心操作設(shè)備，具有較高的可靠性。

2）太陽能光伏發(fā)電：以太陽能資源發(fā)電為水泵提供動(dòng)力，設(shè)計(jì)陰天連續(xù)工作3～4天，極端惡劣陰雨天氣連續(xù)工作3天，通過長期運(yùn)行證明發(fā)電量、水量供應(yīng)充足；以苗木成活率為考核標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果證明無論是成活率還是長勢(shì)均達(dá)到油田公司驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；由于安裝配備蓄電池，駐井人員24 h生活用電均能得到有效保障，尤其在冬季，還能為駐井人員提供采暖用電，提高生活質(zhì)量。

5.2 能源成本

1）柴油機(jī)發(fā)電：?jiǎn)尉裼桶l(fā)電機(jī)組功率24 kW，柴油機(jī)每天工作12 h，日消耗柴油40～50 L，年消耗柴油量12 t；柴油價(jià)格按8 600元/t計(jì)算，能源消耗成本為10萬元。除此之外，若柴油價(jià)格不斷上漲，年度費(fèi)用將持續(xù)增加。

2）太陽能光伏發(fā)電：太陽能光伏發(fā)電建站一次性投資，建成后不消耗能源，初期建站投資100萬元，蓄電池使用壽命7年，控制柜及逆變器使用壽命8年；以20年為周期計(jì)算太陽能光伏電站建設(shè)總費(fèi)用190萬元，年費(fèi)用9.5萬元，年費(fèi)用略低于柴油發(fā)電。隨著太陽能產(chǎn)品的不斷研發(fā)和改進(jìn)，其價(jià)格還將有一定下降空間。

5.3 節(jié)能減排效益

1）柴油機(jī)發(fā)電：以消耗柴油發(fā)電為水泵提供動(dòng)力，柴油為化石能源產(chǎn)出的二次能源，不可再生，燃燒后CO有毒氣體排放系數(shù)為1.52 g/L，CO2溫室氣體排放系數(shù)為2.73 kg/L，對(duì)環(huán)境有一定影響。

2）太陽能光伏發(fā)電：太陽能發(fā)電系統(tǒng)維護(hù)操作簡(jiǎn)單，電池板使用壽命20年以上，所配備的膠體蓄電池使用壽命7年，且可回收進(jìn)行分級(jí)處理，提取二氧化硅、鉛錠、聚丙烯等產(chǎn)品，通過太陽能系統(tǒng)的生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)節(jié)約和減排。12口柴油機(jī)井年消耗柴油140 t，實(shí)施太陽能改造后年可減排CO2溫室氣體435 t，有效保護(hù)了環(huán)境。

5.4 社會(huì)及品牌效益

太陽能資源取之不盡用之不竭，因地制宜大力發(fā)展太陽能、風(fēng)能等非化石能源是我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的方向。新疆，尤其是南疆地區(qū)，全年日照時(shí)數(shù)達(dá)3 000 h以上，輻射強(qiáng)度大，具備太陽能規(guī)?；l(fā)展優(yōu)勢(shì)。

◇沙漠公路防護(hù)林生態(tài)工程2008年被國家評(píng)為“環(huán)境友好工程”，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)防護(hù)林太陽能光伏發(fā)電灌溉，其“環(huán)境友好”的豐富內(nèi)涵將淋漓展現(xiàn)；

◇宏偉壯觀的沙漠公路及其綠化灌溉工程一直都能夠吸引大量人員參觀考察，實(shí)現(xiàn)防護(hù)林太陽能光伏發(fā)電灌溉，已成為提高油田品牌形象、體現(xiàn)油田社會(huì)價(jià)值的前沿窗口；

◇太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是增強(qiáng)企業(yè)自身可持續(xù)發(fā)展能力的需要，也是節(jié)約能源、清潔發(fā)展，建設(shè)一流國際大油氣田的需要，同時(shí)為油田公司在其他領(lǐng)域規(guī)?；茝V應(yīng)用太陽能資源提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

6 結(jié)語

塔里木油田公司在建設(shè)“一流國際大油氣田”的進(jìn)程中,始終堅(jiān)持把企業(yè)的發(fā)展放在節(jié)能減排的大格局中定位。塔里木沙漠公路生態(tài)防護(hù)林太陽能光伏發(fā)電灌溉項(xiàng)目的試驗(yàn)成功與推廣應(yīng)用，是油田突出價(jià)值發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展的標(biāo)志性工程，同時(shí)也為太陽能等新能源和低碳環(huán)保技術(shù)在塔里木油田的規(guī)模化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。沙漠公路生態(tài)防護(hù)林目前剩余的柴油機(jī)發(fā)電井85口，塔里木油田公司將用3年時(shí)間按照20口、30口、35口的數(shù)量建設(shè)太陽能光伏電站，到2015年6月全部完成，實(shí)現(xiàn)油田的綠色與和諧發(fā)展。

[1]任新兵.太陽能光伏發(fā)電工程技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

[2]王長貴.太陽能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

[3]徐政.太陽能揚(yáng)水系統(tǒng)的推廣應(yīng)用[J].陽光能源,2009(1).