浅谈光伏发电在油田办公区的应用
浅谈光伏发电在油田办公区的应用
李 栋
（中石化西北油田分公司，新疆 巴音郭楞蒙古自治州 841600）
摘要：塔河油田地处塔里木盆地，太阳能资源丰富，在油区内将光伏发电与办公建筑相结合，是实现‘碳中和’的有效方式。作为油田光伏供电系统建设计划的先驱项目，通过对油田办公区内自发自用、余电上网模式的光伏发电系统的发电效率和运行情况进行分析，浅谈并网型光伏发电系统在油田中的应用效果及可推广性。
关键词：太阳能发电系统；并网；平屋面；灰尘沉积
0 引言
随着太阳能光伏发电技术的不断提高，成本的不断下降，近年来太阳能光伏发电系统在建筑上得到了有效应用。为了响应国家推广新能源的号召，承担绿色环保的社会责任，西北油田分公司使用经济、环保、可持续发展的太阳能对办公区建筑进行了节能增效的供电改造，为油区后期的大型光伏发电项目建设提供数据和理论支撑。这种发电模式可以减少偏远地区公共电网压力，属于分布式发电的一种。
1 项目基础
按照中国太阳能资源分布标准，塔河油田属于二类地区，为我国太阳能资源较丰富地区，年辐射总量达到5350～6570 MJ/㎡，相当于日辐射量4.5-5.1kWh/㎡，极具开发利用价值，适合推行太阳能光伏发电项目[1]。
但是传统的太阳能蓄电池组不仅价格昂贵，而且使用寿命较短，维护困难，不适宜在西北地区恶劣的自然条件下推广，先期建设在一些偏远地区的离网型光伏电站也因为退出保护区而拆除，因而塔河油田虽有得天独厚的太阳能资源，一直没有得到有效利用。
脱离储能设备，降低设备成本，采用自发自用、余电上网模式的并网型光伏发电系统是西北油田对太阳能资源充分利用的行之有效的研究方向。
西北油田办公建筑多为平屋面建筑，屋顶面积开阔，屋面平坦，满足设置太阳能光伏发电系统的要求，可考虑光伏组件与建筑的有效结合。
2 设计原则
2.1 工作原理
并网型光伏发电系统和离网型光伏发电系统是太阳能发电与建筑结合的两种形式，设计原则是在满足用电设备运行稳定可靠的前提下，以绿色环保、降本增效、经济适用、维护简便为出发点，选择并网型太阳能发电系统。
项目以西北油田联合基地办公区为试点，建设的并网型太阳能光伏发电系统为市电互补型，又称可逆流并网系统，主要由太阳能光伏阵列输出电能为负载提供工作电源，多余电能转换成与油田电网同频、同相、同幅的交流电后并入油田电网，当光伏阵列输出电能不足时，以油田电网交流配电予以补充。这种自发自用，余电上网的方式使得太阳能发电系统灵活性高，维护更为便利，是目前的主流应用技术[2]。
常见的分布式太阳能光伏供电系统包括太阳能电池阵列、DC/AC组串式并网逆变器、汇流箱等。
该系统通过屋顶的太阳能电池阵列将光能转化为电能，再利用直流电缆将组串好的阵列产生的电流引至汇流箱汇流。汇流箱汇流后接入组串式并网逆变器，最后经逆变器输出端口与办公区低压配电箱连接，为交流负载提供工作电源，同时并入油田电网。
图1：办公区光伏供电系统原理
2.3 太阳能电池阵列安装
在项目实际应用中，选择因退出保护区而拆除的多晶硅光伏板及相应支架组成屋面太阳能电池阵列。该多晶硅光伏板的额定功率为310W，额定电压36.3V，额定电流8.53A，已使用年限为8年。
2.3.1 平屋面安装原则
太阳能电池阵列与建筑的有机结合能够有效减少占地面积，不影响基地内的整体建设规划。在平屋面安装时需考虑建筑荷重、耐风压、排水、防震等因素，目前常见的平屋面太阳能光伏发电系统（Building Attached Photovoltaic）安装方式有：混泥土配重法（现场浇筑混泥土基座及预制混泥土块配重）、化学锚固螺栓固定法、支架底部整体连接固定法等[3]。
安装方式 优点 缺点
混泥土配重法 连接牢固、不影响屋面防水及其它建筑层、结构安全可靠 较大的增加了屋面原有负重、需重新计算建筑屋面荷重
化学锚固螺栓固定法 连接较为牢固、施工简单、平屋面负重增加较少 对屋面防水层及原有建筑层破坏较大
支架底部整体连接法 适用面广、安装便捷、屋面负重增加较少 耐风压、防震能力偏弱、支架底座钢用量较多
表1：办公区平屋面BAPV安装方式对比
在西北油田办公区域，建筑高度普遍较低，为非上人屋面。风荷载比较小，且为非地震带，采用重量较轻、安装便捷的支架底部整体连接法即可满足使用要求。
2.3.2 安装方位及角度计算
在标准情况下，投射在电池板上的日辐射量越多则转换的电能越多，电池板的效率就越高。太阳能电池组件的安装位置应保证在日照所有时间内，没有任何物体或阴影遮蔽。油田办公区平屋面视野开阔，无阴影遮蔽情况，因此光伏组件安装时主要考虑安装的方位角和倾斜角。
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图2：光伏板安装角度
辐射量的较简单的计算公式为RD=[sin（α+β）/sinα]S+D
其中：RD-平屋面倾斜光伏阵列总辐射量；D-散射辐射量；S直射辐射量；α-正午时刻太阳高度角；β-光伏阵列倾角。
根据“冬至日当天早晨9:00至下午15:00的时间段内，太阳能电池板方阵不应被遮挡”的原则，结合塔河地区所处于的经纬度（位于北纬41°~42°之间）,可以得出该地区太阳能电池组件以0°方位角、37°倾斜角安装时接收的太阳能辐射量最大[4]。
2.4 逆变器的选择
逆变器是太阳能光伏发电系统中的核心设备，合理配置逆变器，对于提高太阳能光伏发电系统的发电效率和减少运行损耗有着重要作用。
为了保证光伏发电系统可靠安全地运行，逆变器要保证光伏逆变系统发生异常时，不会对所并联的电网产生较大的不良影响，反过来也要保证并联电网发生故障时，电网同样不会使光伏发电系统产生损坏。
通过对库存多晶硅光伏板及其支架的数量统计和总发电效率测算，结合实际情况，可选择户用型组串式逆变器，在交流配电箱附近安装，通过低压用户侧AC380V并网。
组串式逆变器需配备有多路MPPT（功率点跟踪），以确保即使在不同的太阳能输入条件下，也能获得最大的输出功率。
3 光伏发电的效率分析
3.1 光伏发电系统的效率计算
太阳能电池阵列的效率、逆变器的转化效率、分布式交流并网效率等三部分组成了并网光伏发电系统的总效率。
太阳能电池阵列效率η1：指太阳能电池阵列在太阳辐射1000W/㎡时，实际直流输出功率与标称功率之比。
由于西北油田地处沙漠边缘，自然条件恶劣，一年中有两季风沙频发，空气中杂质多、含沙量大，因而太阳能电池板表面的沙尘堆积情况较为严重，整体的光电转化效率会受到一定影响。同时考虑到组件匹配中产生的电能损失、直流线路的损失及逆变器最大功率点跟踪的精度偏差等问题，因此计算时η1取额定效率的85%～90%。
逆变器的转化效率η2：逆变器输出的交流电功率与输入的直流电功率之比。以实际应用为例，该项目使用的组串式逆变器效率为98%。
分布式交流并网效率η3：从逆变器输出至高压电网的效率，主要为交流配电箱和变压器输送电能的效率，在本文中取效率95%。
西北油田地区光发电伏系统的总效率为η=η1×η2×η3，约79%～84%。
3.2 影响光伏发电系统的因素
在油田办公区平屋面建筑的实际应用中，影响分布式光伏并网系统发电效率的因素主要有如下几点：
（1）太阳能电池板的方位角。因受限于平屋面的空间，在考虑施工安全的情况下，实际安装时的摆放位置与设计存在一定误差；
（2）太阳能电池板的能耗。电池板自身也会有能耗，自身能耗越大，输出的电能就会相应减少。太阳能电池板的使用年限越久，转化效率也会相应降低；
（3）周边环境产生的影响。主要包括温度变化、不良天气状况（阴、雨、沙尘暴、雾及浮沉天气等）。
油田办公区平屋面光伏阵列共使用多晶硅太阳能电池板89块，理论峰值功率为27.59kW，运行期间系统的最大输出功率23.43kW，最高输出功率约为理论值的85%。
通过数据采集和验证，发现在太阳能电池板方位角不发生改变的情况下，影响该平屋面光伏发电系统转化效率的原因主要有以下三点：
1、多晶硅太阳能电池板为旧物再利用，因使用年限超过8年（一般多晶硅的使用寿命为25年），最大输出功率有一定的衰减；
2、风沙、浮沉、阴雨等环境因素产生的影响：
天气状况 峰值功率（kW·h） 日发电量（kW·h）
晴朗天气 20.79 151.1
暴雨天气 7.92 52.7
沙尘暴 6.93 33.4
表2：不同天气状况下的光伏发电数据
由平屋面光伏发电系统的发电数据可知，在沙尘暴的影响下，日发电量较晴朗天气衰减79%，同时沙尘暴过后会造成太阳能电池板的灰尘沉积现象，为制约西北油田地区光伏项目推广的最大原因。
3、太阳能光伏组件灰尘沉积的影响：
为研究灰尘沉积对光伏组件的发电效率带来的影响，在沙尘天气过后对平面太阳能电池板进行了清洗作业，清洗前后光伏组件的峰值发电数据如下：
光伏组件状态 峰值功率（kW·h）
清洗前 19.47
清洗后 23.43
表3：光伏组件清洗前后光伏系统的最大峰值功率
根据该样本数据可以计算出太阳能光伏组件清洁前后的峰值功率增加了20.3%，可见灰尘沉积现象对西北油田地区太阳能光伏发电效率的影响极大。
4 效益分析
4.1 经济效益
在西北油田办公区的并网型光伏发电项目应用中，共使用多晶硅太阳能电池板89块，理论峰值27.59kW/h，理论最高日发电量165.54kW·h。
实际运行期间：逆变器夏季的日平均工作时间超过12h，其中有效日照时数约7h，6至9月日平均发电量约为118.7kW·h；10至12月日平均发电量约为73.9kW·h。以该样本数据计算，全年日平均发电量约96.3kW·h，年均有效日照时数约5h（与中国北方沙区太阳能资源评估结果相近），年发电量可达3.5万kW·h，以电价1元/度计算，约合人民币3.5万元。
4.2 环保效益
以常规能源煤炭进行对比，根据专家统计，每节约1度电，可节约0.4千克标准煤，减少污染排放0.272千克碳粉尘、0.997千克二氧化碳(CO2)、0.03千克二氧化硫(SO2)，同时耗费0.4L水。
西北油田办公区的并网型光伏发电系统以年发电量3.5万kW·h计算，年度可节约煤炭14t，减少二氧化碳排放量34.9t、二氧化硫1t以及碳粉尘0.95t，有极大的社会环保效益和显著的节能减排效果。
5 结语
塔河油田地区太阳能资源丰富，在办公区试行的平屋面光伏发电系统能最大化利用建筑优势，设计合理，整体美观，示范性强，有良好的社会环保效益和显著的节能减排效果。
由于西北地区恶劣自然环境带来的影响，风沙天气频发，灰尘沉积后使得太阳能光伏组件的发电效率大幅度降低，需要时常清洗才能够达到最佳转化效率。因夏季降雨量较高、冬季风沙较少，光伏组件的主要清洗时间集中在春秋两季，故建议维护人员在春秋季节组织2次光伏组件的全面清洗作业，沙尘暴天气过后进行针对性的临时清洁。如果对平屋面光伏发电系统进行扩大化建设，可考虑引入自动喷淋系统，提高清洗频率。
太阳能无枯竭危险、安全可靠、无噪声、无污染、能源质量高，是西北油田地区能耗管理的一个重要方向，随着太阳能光伏发电技术的不断完善，相关设备成本的逐渐降低，可以预见分布式并网发电将成为西北油田电力系统的一个重要组成部分。
参考文献
[1]刘淳，任立清，李学军，贾冰，鱼腾飞，张成琦，肖建华，赵春彦，朱猛.1990-2019年中国北方沙区太阳能资源评估[J].高原气象.2021,40(05).
[2]王长贵，王新威.太阳能光伏发电实用技术[M].化学工业出版社，2005.
[3] 马一鸣，马龙祥.太阳能光伏发电与建筑一体化[J].沈阳工程学院学报：自然科学版,2011，7（1）：9-12.
[4] 胥良.地表斜面上辐射量的计算[J].云南民族学院学报，2010（04）.
