油田辦公樓應(yīng)用光伏發(fā)電的可行性探討

姜忠凱

（大慶油田第七采油廠數(shù)字化運(yùn)維中心，黑龍江 大慶 163517）

在國(guó)家“碳中和、碳達(dá)峰”的政策下，發(fā)展綠色清潔能源是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的重要抓手，太陽(yáng)能憑借著綠色環(huán)保、日趨成熟的技術(shù)水平、安全、長(zhǎng)壽命和取之不盡用之不竭等優(yōu)勢(shì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，成為能源替代的主力軍。而油田也有著節(jié)能減排、提質(zhì)增效的目標(biāo)要求，因此太陽(yáng)能光伏發(fā)電可以為油田實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展提供重要保障。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

太陽(yáng)能發(fā)電指的是無(wú)需通過(guò)熱過(guò)程直接將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式，包括光伏發(fā)電、光化學(xué)發(fā)單、光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電。通常來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能發(fā)電指的是太陽(yáng)能光伏發(fā)電，簡(jiǎn)稱“光電”。光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。該發(fā)電技術(shù)無(wú)枯竭危險(xiǎn)、無(wú)公害、不受資源分布地域的限制、建設(shè)周期短、維護(hù)簡(jiǎn)單、可靠性高應(yīng)用范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)按供電類型分為直流供電系統(tǒng)、交直流供電系統(tǒng)；按照供電特點(diǎn)分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)（也叫離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)）和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1.1 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)

獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)是指僅僅依靠太陽(yáng)能電池供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)或者主要依靠太陽(yáng)能電池供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)，采用自發(fā)自用模式。該系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池、充放電控制器、蓄電池、逆變器以及負(fù)載（直流負(fù)載、交流負(fù)載）組成。該系統(tǒng)由于負(fù)載只有太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)供電，所以系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性會(huì)受到諸如日照和溫度等氣象條件的影響，因此需要使用蓄電池來(lái)調(diào)節(jié)，但蓄電池在充放電時(shí)會(huì)出現(xiàn)損失且維護(hù)檢修成本高，因此獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)一般容量較小。主要用于小容量的用戶、遠(yuǎn)離電網(wǎng)的邊遠(yuǎn)地區(qū)、不采用電氣配線施工的地區(qū)、夜間和降水時(shí)不需要電網(wǎng)供電的地點(diǎn)以及特殊領(lǐng)域的供電。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)圖如圖1。

圖1 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可以將太陽(yáng)能電池陣列輸出的直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓同幅、同頻、同相的交流電，并實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)連接并向電網(wǎng)輸送電能。該系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池、匯流箱、控制器、逆變器、負(fù)載等控制系統(tǒng)與設(shè)備組成，還可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求，設(shè)置蓄電池、供電系統(tǒng)監(jiān)控裝置和環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行模式是太陽(yáng)能電池板將光能轉(zhuǎn)換成電能，經(jīng)匯流箱匯集后，通過(guò)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電為建筑自身設(shè)備供電，多余或不足的電力通過(guò)電網(wǎng)來(lái)調(diào)節(jié)輸出或者供給。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖如圖2。

圖2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

如果根據(jù)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的應(yīng)用形式，應(yīng)用規(guī)模及負(fù)載的類型，可以再進(jìn)行比較細(xì)致的劃分，具體為如下：有逆潮流并網(wǎng)系統(tǒng)；無(wú)逆潮流并網(wǎng)系統(tǒng)；切換式并網(wǎng)系統(tǒng)；直、交流并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)；并網(wǎng)混合系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)分類對(duì)比如表1。

表1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)分類對(duì)比

光伏發(fā)電系統(tǒng)受日照等氣象因素影響較大，如果加裝蓄電池組可以有效提高并網(wǎng)系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)比可以看出，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下：

（1）并網(wǎng)混合系統(tǒng)功能最強(qiáng)、可用面最廣、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，但成本最高。

（2）有逆潮流并網(wǎng)系統(tǒng)和無(wú)逆潮流并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性最差。

（3）切換式并網(wǎng)系統(tǒng)整體性能則居于中間，性價(jià)比最高。

綜合來(lái)看，如果是用電時(shí)間集中在白天的用戶，采用切換式并網(wǎng)系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)合適。

2 可行性分析

2.1 設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)光伏發(fā)電系統(tǒng)必須考慮諸多因素，通過(guò)多方面調(diào)查了解，根據(jù)建筑物的形狀、結(jié)構(gòu)、屋頂結(jié)構(gòu)和當(dāng)?shù)貧庀髼l件及方位，來(lái)選定太陽(yáng)能電池陣列的設(shè)置場(chǎng)所，然后確定電氣方式、負(fù)載類型、負(fù)載容量和系統(tǒng)配件的安裝場(chǎng)所，以此決定系統(tǒng)的形式、構(gòu)成，通過(guò)用電量計(jì)算太陽(yáng)能電池的陣列容量和發(fā)電量，解決太陽(yáng)能電池的方位角、傾斜角、可設(shè)置的面積、臺(tái)架形式以及布置方式等。一般而言太陽(yáng)能電池是整套系統(tǒng)的核心部件。太陽(yáng)能電池組件設(shè)計(jì)的一個(gè)主要原則就是要滿足平均天氣條件下負(fù)載的每日用電需求。因?yàn)樘鞖鈼l件有低于和高于平均值的情況，所以要保證太陽(yáng)能電池組件和蓄電池在天氣條件有別于平均值的情況下協(xié)調(diào)工作。目前太陽(yáng)能電池板主要有以下幾種類型：?jiǎn)尉Ч杼?yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、非晶硅太陽(yáng)能電池(含薄膜太陽(yáng)能電池）、多元化合物太陽(yáng)能電池等。按照當(dāng)前技術(shù)水平，太陽(yáng)能電池的使用壽命一般在25～30年。

2.2 舉例分析

采油七廠地處東北，太陽(yáng)能電池板在每平方米一年內(nèi)接收太陽(yáng)輻射總量為4190～5016MJ，年日照有效時(shí)數(shù)為1329.29h，最佳安裝角度為41°，經(jīng)查詢大慶峰值日照（見(jiàn)表2），取平均日照峰值4.16kWh/m2。

表2 大慶市光照峰值日照時(shí)數(shù)表（單位：kWh/m2/day）

以采油七廠計(jì)量?jī)x表室辦公樓樓為例進(jìn)行分析。該樓用電主要集中在白天，辦公用電中照明燈具、空調(diào)、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)以及辦公室內(nèi)小型電器等設(shè)備的功率并不是重負(fù)荷，不是需要24h穩(wěn)定運(yùn)行的生產(chǎn)單元，屬于三級(jí)配電負(fù)荷。該樓前、后兩部分屋頂均無(wú)遮擋，總面積為932m2。計(jì)量?jī)x表樓地理位置及面積圖如圖3。

圖3 計(jì)量?jī)x表樓地理位置及面積

樓內(nèi)用電設(shè)備的全年總功率約為14750kW?？蛇x用高性能單晶硅太陽(yáng)能電池組件，以國(guó)產(chǎn)某品牌太陽(yáng)能光伏板為例，其光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)21.5%，規(guī)格為550WP，開(kāi)路電壓49.8V，工作溫度為-40～85℃，組件尺寸為：2094×1038×35mm。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，該光伏發(fā)電系統(tǒng)滿足年消費(fèi)量時(shí)的必要的太陽(yáng)能電池容量為20.261kW，需要安裝單晶硅組件37片，每片的面積為2.2m2，總安裝面積為82m2。因安裝占地面積遠(yuǎn)小于屋頂面積，光伏電池板可以安裝在后樓屋頂，因東北冬季低溫寒冷，為了保障設(shè)備的使用壽命，可將光伏逆變器和蓄電池組置于樓內(nèi)。

如果以網(wǎng)上查詢的設(shè)備價(jià)格為參考，整套設(shè)備成本預(yù)估為16萬(wàn)元。按照目前國(guó)家電網(wǎng)的價(jià)格：低壓0.7165元/千瓦時(shí)（含稅13%）來(lái)計(jì)算，預(yù)計(jì)15.74年可收回成本。如果大規(guī)模安裝采購(gòu)，成本可以降低，成本回收周期也可以縮短。

綜合考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與性價(jià)比，計(jì)量?jī)x表樓可以使用切換式并網(wǎng)系統(tǒng)。

3 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)目前的技術(shù)是比較成熟的，可以根據(jù)不同負(fù)載需求選擇獨(dú)立或者并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

不同的光伏發(fā)電系統(tǒng)特點(diǎn)不同，根據(jù)目前的技術(shù)水平，并網(wǎng)混合系統(tǒng)功能最強(qiáng)，穩(wěn)定性最好，但復(fù)雜程度也最高，成本最高；切換式并網(wǎng)系統(tǒng)價(jià)格較低，性價(jià)比較高。計(jì)量?jī)x表樓用電負(fù)荷有限，并且用電時(shí)間主要集中在白天，綜合考慮，安裝切換式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)更適合。以采油七廠計(jì)量?jī)x表樓為例進(jìn)行多角度分析可以得出，完全可以在光伏設(shè)備使用周期內(nèi)收回成本，隨著技術(shù)的進(jìn)步，光伏發(fā)電系統(tǒng)的總成本和成本回收周期會(huì)進(jìn)一步下降。