光伏發(fā)電在油田辦公區(qū)的應用研究

李棟

【摘 要】塔河油田地處塔里木盆地，太陽能資源豐富，在油區(qū)內(nèi)將光伏發(fā)電與辦公建筑相結(jié)合，是實現(xiàn)“碳中和”的有效方式。作為油田光伏供電系統(tǒng)建設(shè)計劃的先驅(qū)項目，通過對油田辦公區(qū)內(nèi)自發(fā)自用、余電上網(wǎng)模式的光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和運行情況進行分析，探討并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)在油田中的應用效果和可推廣性。

【關(guān)鍵詞】太陽能發(fā)電系統(tǒng);并網(wǎng);平屋面;灰塵沉積

【中圖分類號】TE43 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）02-0102-03

0 引言

隨著太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的不斷提高，成本不斷下降，近年來太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑上得到了較好的應用。為了響應國家推廣新能源的號召，承擔綠色環(huán)保的社會責任，中石化西北油田分公司使用經(jīng)濟、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的太陽能對辦公區(qū)建筑進行了節(jié)能增效的供電改造，為油區(qū)后期的大型光伏發(fā)電項目建設(shè)提供數(shù)據(jù)和理論支撐。這種發(fā)電模式可以減少偏遠地區(qū)公共電網(wǎng)壓力，屬于分布式發(fā)電方式的一種。

1 項目基礎(chǔ)

按照中國太陽能資源分布標準，塔河油田屬于二類地區(qū)，為我國太陽能資源較豐富的地區(qū)，年輻射總量達5 350～

6 570 MJ/m2，相當于日輻射量達4.5～5.1 kW·h/m2，極具開發(fā)利用價值，適合推行太陽能光伏發(fā)電項目[1]。但是，傳統(tǒng)的太陽能蓄電池組不僅價格昂貴，而且使用壽命較短，維護困難，不適宜在西北地區(qū)惡劣的自然條件下推廣，先期建設(shè)在一些偏遠地區(qū)的離網(wǎng)型光伏電站也因退出保護區(qū)而拆除，塔河油田雖有得天獨厚的太陽能資源，但一直沒有得到有效利用。

為了響應國家推廣綠色能源的號召，充分利用塔河地區(qū)豐富的太陽能資源，西北油田采用光伏組件與辦公區(qū)建筑有效結(jié)合的方式，建設(shè)了自發(fā)自用、余電上網(wǎng)模式的平屋面并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，通過分析系統(tǒng)的發(fā)電效率和運行情況，為油區(qū)后期的大型光伏發(fā)電項目建設(shè)提供數(shù)據(jù)和理論支撐。

2 設(shè)計原則

2.1 工作原理

并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)和離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)是太陽能發(fā)電與建筑結(jié)合的兩種形式，設(shè)計原則是在滿足用電設(shè)備運行穩(wěn)定可靠的前提下，以綠色環(huán)保、降本增效、經(jīng)濟適用、維護簡便為出發(fā)點，選擇并網(wǎng)型太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

項目以西北油田聯(lián)合基地辦公區(qū)為試點，建設(shè)的并網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)為市電互補型，又稱可逆流并網(wǎng)系統(tǒng)，主要由太陽能光伏陣列輸出電能為負載提供工作電源，多余電能轉(zhuǎn)換成與油田電網(wǎng)同頻、同相、同幅的交流電后并入油田電網(wǎng)，當光伏陣列輸出電能不足時，以油田電網(wǎng)交流配電予以補充。這種自發(fā)自用、余電上網(wǎng)的方式使得太陽能發(fā)電系統(tǒng)靈活性高，維護更為便利，是目前的主流應用技術(shù)[2]。

常見的分布式太陽能光伏供電系統(tǒng)包括太陽能電池陣列、DC/AC組串式并網(wǎng)逆變器、匯流箱等。該系統(tǒng)通過屋頂?shù)奶柲茈姵仃嚵袑⒐饽苻D(zhuǎn)化為電能，再利用直流電纜將組串好的陣列產(chǎn)生的電流引至匯流箱匯流。匯流箱匯流后接入組串式并網(wǎng)逆變器，最后經(jīng)逆變器輸出端口與辦公區(qū)低壓配電箱連接，為交流負載提供工作電源，同時并入油田電網(wǎng)（如圖1所示）。

2.2 太陽能電池陣列安裝

在項目實際應用中，選擇因退出保護區(qū)而拆除的多晶硅光伏板及相應支架組成屋面太陽能電池陣列。該多晶硅光伏板的額定功率為310 W，額定電壓為36.3 V，額定電流為8.53 A，已使用年限為8年。

2.2.1 平屋面安裝原則

太陽能電池陣列與建筑的有機結(jié)合能夠有效減少占地面積，不影響基地內(nèi)的整體建設(shè)規(guī)劃。在平屋面安裝時需考慮建筑荷重、耐風壓、排水、防震等因素，目前常見的平屋面太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)（Building Attached Photovoltaic）安裝方式有混凝土配重法（現(xiàn)場澆筑混凝土基座及預制混凝土塊配重）、化學錨固螺栓固定法、支架底部整體連接固定法等[3]。辦公區(qū)平屋面BAPV安裝方式對比見表1。

在西北油田辦公區(qū)域，建筑高度普遍較低，為非上人屋面。風荷載比較小且為非地震帶，采用重量較輕、安裝便捷的支架底部整體連接法即可滿足使用要求。

2.2.2 安裝方位及角度計算

在標準情況下，投射在電池板上的日輻射量越多則轉(zhuǎn)換的電能越多，電池板的效率就越高。太陽能電池組件的安裝位置應保證在日照所有時間內(nèi)，沒有任何物體或陰影遮蔽。西北油田辦公區(qū)平屋面視野開闊，無陰影遮蔽情況，因此光伏組件安裝時主要考慮安裝的方位角和傾斜角（如圖2所示）。

輻射量的計算公式為RD=[sin（α+β）/sinα]S+D，其中RD為平屋面傾斜光伏陣列總輻射量;D為散射輻射量;S為直射輻射量;α為正午時刻太陽高度角;β為光伏陣列傾角。

根據(jù)“冬至日當天早晨9：00至下午15：00的時間段內(nèi)，太陽能電池板方陣不應被遮擋”的原則，結(jié)合塔河地區(qū)所處的經(jīng)緯度（位于北緯41°～42°），可以得出該地區(qū)太陽能電池組件以0°方位角、37°傾斜角安裝時接收的太陽能輻射量最大[4]。

2.3 逆變器的選擇

逆變器是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心設(shè)備，合理配置逆變器，對提高太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和減少運行損耗有著重要作用。

為了保證光伏發(fā)電系統(tǒng)可靠安全地運行，逆變器要保證光伏逆變系統(tǒng)發(fā)生異常時，不會對所并聯(lián)的電網(wǎng)產(chǎn)生較大的不良影響，也要保證并聯(lián)電網(wǎng)發(fā)生故障時，電網(wǎng)同樣不會使光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生損壞。

通過對庫存多晶硅光伏板及其支架的數(shù)量統(tǒng)計和總發(fā)電效率測算，結(jié)合實際情況，可選擇戶用型組串式逆變器，在交流配電箱附近安裝，通過低壓用戶側(cè)AC380 V并網(wǎng)。

組串式逆變器需配備有多路MPPT（功率點跟蹤），確保在不同的太陽能輸入條件下，也能獲得最大的輸出功率。

3 光伏發(fā)電的效率分析

3.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率計算

太陽能電池陣列的效率、逆變器的轉(zhuǎn)化效率、分布式交流并網(wǎng)效率等組成并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的總效率。

太陽能電池陣列效率η1是指太陽能電池陣列在太陽輻射1 000 W/m2時，實際直流輸出功率與標稱功率之比。

西北油田地處沙漠邊緣，自然條件惡劣，一年中有兩季風沙頻發(fā)，空氣中雜質(zhì)多、含沙量大，因而太陽能電池板表面的沙塵堆積情況較為嚴重，整體的光電轉(zhuǎn)化效率會受到一定影響。同時，考慮到組件匹配中產(chǎn)生的電能損失、直流線路的損失及逆變器最大功率點跟蹤的精度偏差等問題，因此計算時η1取額定效率的85%～90%。

逆變器的轉(zhuǎn)化效率η2：逆變器輸出的交流電功率與輸入的直流電功率之比。以實際應用為例，該項目使用的組串式逆變器效率為98%。

分布式交流并網(wǎng)效率η3：從逆變器輸出至高壓電網(wǎng)的效率，主要為交流配電箱和變壓器輸送電能的效率，取95%。

西北油田地區(qū)光發(fā)電伏系統(tǒng)的總效率為η（79%～84%）=η1×η2×η3。

3.2 影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的因素

在西北油田辦公區(qū)平屋面建筑的實際應用中，影響分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電效率的因素主要有如下幾點。

（1）太陽能電池板的方位角。受限于平屋面的空間，在考慮施工安全的情況下，實際安裝時的擺放位置與設(shè)計存在一定的誤差。

（2）太陽能電池板的能耗。電池板自身也會有能耗，自身能耗越大，輸出的電能就會相應減少。太陽能電池板的使用年限越久，轉(zhuǎn)化效率也會相應降低。

（3）周邊環(huán)境產(chǎn)生的影響。主要包括溫度變化、不良天氣狀況（陰、雨、沙塵暴、霧及浮塵天氣等）。

西北油田辦公區(qū)平屋面光伏陣列共使用多晶硅太陽能電池板89塊，理論峰值功率為27.59 kW，運行期間系統(tǒng)的最大輸出功率為23.43 kW，最高輸出功率約為理論值的85%。

通過數(shù)據(jù)采集和驗證發(fā)現(xiàn)，在太陽能電池板方位角不發(fā)生改變的情況下，影響該平屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率的原因主要有以下3點。

（1）多晶硅太陽能電池板為舊物再利用，因使用年限超過8年（一般多晶硅的使用壽命為25年），最大輸出功率有一定的衰減。

（2）風沙、浮沉、陰雨等環(huán)境因素產(chǎn)生的影響（見表2）。由平屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電數(shù)據(jù)可知，在沙塵暴的影響下，日發(fā)電量較晴朗天氣衰減79%，同時沙塵暴過后會造成太陽能電池板的灰塵沉積現(xiàn)象，為阻礙西北油田地區(qū)光伏項目推廣的最大原因。

（3）太陽能光伏組件灰塵沉積的影響。為研究灰塵沉積對光伏組件的發(fā)電效率帶來的影響，在沙塵天氣過后對平面太陽能電池板進行了清洗作業(yè)，清洗前后光伏組件的峰值發(fā)電數(shù)據(jù)見表3。

根據(jù)該樣本數(shù)據(jù)可以計算出太陽能光伏組件清潔前后的峰值功率增加了20.3%，可見，灰塵沉積現(xiàn)象對西北油田地區(qū)太陽能光伏發(fā)電效率的影響極大。

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟效益

在西北油田辦公區(qū)的并網(wǎng)型光伏發(fā)電項目應用中，共使用多晶硅太陽能電池板89塊，理論峰值功率為27.59 kW，理論最高日發(fā)電量165.54 kW·h。

實際運行期間：逆變器夏季的日平均工作時間超過12 h，其中有效日照時數(shù)約7 h，6～9月日平均發(fā)電量約118.7 kW·h;10～12月日平均發(fā)電量約73.9 kW·h。以該樣本數(shù)據(jù)計算，全年日平均發(fā)電量約96.3 kW·h，年均有效日照時數(shù)約5 h（與中國北方沙區(qū)太陽能資源評估結(jié)果相近），年發(fā)電量可達3.5萬kW·h，以電價1元/kW·h計算，約合3.5萬元。

4.2 環(huán)保效益

以常規(guī)能源煤炭進行對比，根據(jù)專家統(tǒng)計，每節(jié)約1 kW·h電，可節(jié)約0.4 kg標準煤，減少污染排放0.272 kg碳粉塵、0.997 kg二氧化碳（CO2）、0.03 kg二氧化硫（SO2），同時耗費0.4 L的水。

西北油田辦公區(qū)的并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)以年發(fā)電量3.5萬kW·h計算，年度可節(jié)約煤炭14 t，減少二氧化碳排放量34.9 t、二氧化硫1 t、碳粉塵0.95 t，有極大的社會環(huán)保效益和顯著的節(jié)能減排效果。

5 結(jié)語

塔河油田地區(qū)太陽能資源豐富，在辦公區(qū)試行的平屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)能最大化利用建筑優(yōu)勢，設(shè)計合理，整體美觀，示范性強，有良好的社會環(huán)保效益和顯著的節(jié)能減排效果。

由于西北地區(qū)惡劣自然環(huán)境帶來的影響，風沙天氣頻發(fā)，灰塵沉積后使得太陽能光伏組件的發(fā)電效率大幅度降低，因此需要時常清洗以保證最佳轉(zhuǎn)化效率。夏季降雨量較高、冬季風沙較少，光伏組件的主要清洗時間集中在春秋兩季，故建議維護人員在春秋季節(jié)組織2次光伏組件的全面清洗作業(yè)，沙塵暴天氣過后進行針對性的臨時清潔。如果對平屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)進行擴大化建設(shè)，可考慮引入自動噴淋系統(tǒng)，提高清洗頻率。

太陽能無枯竭危險、安全可靠、無噪聲、無污染、能源質(zhì)量高，是西北油田能耗管理的一個重要方向。隨著太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的不斷完善，相關(guān)設(shè)備成本的逐漸降低，可以預見分布式并網(wǎng)發(fā)電將成為西北油田電力系統(tǒng)的一個重要組成部分。

參 考 文 獻

[1]劉淳，任立清，李學軍，等.1990—2019年中國北方沙區(qū)太陽能資源評估[J].高原氣象.2021，40（5）：1213-1223.

[2]王長貴，王新威.太陽能光伏發(fā)電實用技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[3]馬一鳴，馬龍祥.太陽能光伏發(fā)電與建筑一體化[J].沈陽工程學院學報（自然科學版），2011（1）：9-12.

[4]胥良.地表斜面上輻射量的計算[J].云南民族學院學報，2010（4）：492-493.