井站太陽能供電系統現狀及優化措施

李靜

（中國石油西南油氣田公司，四川遂寧 629000）

1 太陽能光伏發電在井站的實際應用

川中油氣礦所轄區域多以耕地和草地為主，高大遮擋物較少，地勢較為平坦，具有良好的光伏發電建設條件。油氣礦于2011年開始數字化氣田建設，通過SCADA系統工程、生產信息化工程等舉措大力實施氣田信息建設和改造，基本建成了礦區生產信息化系統的整體架構。目前已建成了信息化生產場站400余座，信息化生產場站設備的供電方式主要有電網供電＋UPS電源和太陽能供電；其中太陽能供電場站共51座，主要用于地處偏遠、電網接入困難且場站負荷較低的無人值守井站 （閥室），詳見圖1。

圖1 井站太陽能供電系統現場示意

為使太陽能供電系統提供穩定、可靠的電源，設計時應根據太陽能輻射量、用電負荷特性、負荷容量等進行計算，最終對供電系統主要設備做出經濟合理的選擇。在川中地區，太陽能供電系統井站建設時考慮功耗為11 W，相應配置為3塊180 Wp 太陽能板，4塊12 V，200 Ah蓄電池。

2 現場實際應用存在問題及優化方式

2.1 存在問題及原因分析

由于太陽能供電系統的能量易得、安全可靠、無噪聲、無污染等特點，在川中油氣礦無人值守井站（閥室）得到廣泛應用。但根據近幾年現場實際運行情況來看，天氣、日照時間等因素對太陽能供電系統的正常使用有一定影響，在進入冬季或連續陰雨天氣時（陰雨天氣可能持續1個月甚至更久），太陽能供電系統發電量不足，無法保證井站正常生產工作。經初步分析主要存在以下原因。

2.1.1 太陽能設備發電量不足

（1）由于川渝地區日照時間短且多云多霧，到達地面的太陽光以散射光居多，導致普通的太陽能供電系統發電量不夠，且部分井站還存在實際設備負荷高于初始設計負荷現象，使得發電量不足現象愈發嚴重。

（2）太陽能板位于野外且高空安裝，無人進行經常性維護，太陽能板表面鋼化玻璃上積累大量灰塵使得玻璃蓋板透射性減弱，到達光伏電池表面上的光強和光電效應減弱，光伏發電量減少。從玻璃蓋板整體來看，由于酸性或堿性灰塵對玻璃蓋板的腐蝕，或者清潔不當造成玻璃蓋板表面粗糙度增加，反射光能量增大，折射光能量減少，使得太陽能板發電量減少。

2.1.2 蓄電池運行情況不佳

（1）部分井站太陽能蓄電池防水箱內部存在進水現象，蓄電池浸泡在水中，使蓄電池出現絕緣層破裂現象，太陽能蓄電池壽命嚴重縮短更是影響到了整個系統的運行。

（2）太陽能板發電量初始設計偏小，導致現場充電電流偏小，每天的充放電基本相當或者放電流量遠大于充電流量，長期運行后使蓄電池組虧電現象嚴重。

2.1.3 安裝建設時位置不佳

部分井站的太陽能供電系統在最初安裝建設時沒有充分考慮采光環境（未考慮朝向、山林樹木遮擋等），沒有最大程度優化建設位置。

2.2 優化方式

為進一步滿足無人值守井站（閥室）的配電需求，結合太陽能供電系統發電量不足原因分析，可以從太陽能光伏板、蓄電池、安裝方式等方面對已建成的太陽能供電系統進行優化。

2.2.1 太陽能光伏板

構成太陽能光伏板的電池可由不同光伏材料制成。當前最主要的光伏材料是晶體硅材料，包括多晶硅和單晶硅。其中單晶硅太陽能板的光電轉換效率較高為15%~24%；多晶硅太陽能板的光電轉換效率只有12%~15%，但造價低。綜合考量，優化改造宜選用單晶硅太陽能板。同時為了避免太陽能板在長時間使用后表面積灰嚴重、發電量下降，建議對太陽能板表面進行處理，在不影響光通量的情況下，模仿荷葉表面在鋼化玻璃上涂上一層高透度AS疏油疏水涂層，使其油水表面張力大小為：水＞油~荷葉膜，達到疏水疏油效果，進而實現“自動清潔”功能。光伏板在自然吸塵情況下每延長一個月，發電效率下降10%；增涂AS疏油疏水涂層的太陽能光伏板，塵埃附著率降低50%，因而太陽能光伏板每個月的發電效率增加5%以上，安裝效果見圖2。

圖2 太陽能光伏組件安裝效果

2.2.2 蓄電池

以延長蓄電池使用壽命為出發點優化蓄電池組安裝方式、優選充放電控制器的控制技術。目前油氣礦所轄太陽能供電場站均使用鉛酸蓄電池組，蓄電池的容量與溫度成正相關，溫度每上升1度容量上升0.8%。高于40度的情況下每升高10度，電池壽命降低一半。而膠體鉛酸蓄電池具有在嚴重缺電情況下抗硫化性能明顯，嚴重放電情況下恢復能力強，工作溫度范圍比鉛酸蓄電池更寬的特點，更適合油氣礦現場實際使用。

2.2.3 安裝方式

在保證發電量的前提下把太陽能板安裝桿高度由3~5米減低為1.7米，便于針對頑固污漬進行人工清潔并徹底消除高空作業風險。

3 優化實例

3.1 太陽能光伏板、蓄電池優化實例

XX井信息化建設時設計功耗11 W，太陽能供電配置為3塊180 Wp太陽能板，4塊12 V，200 Ah蓄電池，目前現場設備實際使用功耗遠遠高于設計時功耗。

3.1.1 優化內容

（1）增加一塊太陽能光伏板，在光伏板增加一層高透度AS疏油疏水涂層，以便利用自然界風雨達到自動清潔目的，進一步提高太陽能利用效率；

（2）將舊的太陽能蓄電池由地下電池井取出（原設計蓄電池組為地下磚砌井安裝，井內防水及排水困難，造成部分井內積水嚴重，對蓄電池的正常運行及使用壽命造成嚴重影響），澆注200 mm厚混凝土墊層，安裝預制不銹鋼箱體，放入新的同型號電池，對太陽能供電裝置進行重新接線，在確保線路連接正確后蓋不銹鋼蓋板。

（3）將原有太陽能光伏組件立桿安裝改為地面支架平鋪安裝，此做法方便安裝及清潔維護，避免因立桿安裝，光伏組件互相遮擋導致采光面積減小形成電阻影響正常充電，進一步保證了每塊光伏板有足夠的日照充電時間。優化前后狀況詳見圖3、圖4。

圖3 優化前狀況

圖4 優化后狀況

3.1.2 優化效果

（1）太陽能轉化為電能時，新增1塊太陽能光伏板后光照強度相同情況下（即采集電壓相同）采集電流得到顯著提升，提高系統太陽能采集效率，不銹鋼電池箱有效解決了蓄電池遭水侵影響，對延長蓄電池使用壽命有積極意義。

（2）通過現場測試發現，在蓄電池充滿電的情況下老舊電池滿載電壓和放電時間都偏低，井站用電負荷越高此現象越明顯。在更換新蓄電池后，電池電壓由之前的26.21 V提高到了27.79 V；持續放電時間也顯著增長，由換之前放電一晚電池容量只剩25%左右提高到剩80%左右，起到了提高太陽能供電系統蓄電池持續放電的能力。

3.2 12V供電＋24V供電優化實例

前期優化主要是增加光伏板數量或對蓄電池進行更新，但所增加的太陽能光伏板數量不夠、光伏板容量不足；更換新蓄電池，長期充電不充分使得新電池放完最初的滿電后會出現虧電現象，蓄電池儲能不充分的狀況沒有根本性改變，斷電問題依然存在，且現有太陽能供電系統輸出電壓為24 V，通過電源轉換模塊轉換為一路12 V輸出電源和一路24 V輸出電源進行供電。電源轉換模塊本身存在功率消耗，同時被動入侵探測器等12 V安防用電設備為觸發供電，啟動瞬間功率較大，導致安防設備頻繁啟動報警，誤報警現象經常發生，影響整個系統用電功耗。通過分析得出，光伏板發電量偏少和安防用電設備的觸發供電是太陽能供電系統供電不足的主要原因，因此決定采用分系統供電，將整個太陽能供電系統優化為12 V供電、24 V供電兩個系統，負載也為對應的12 V、24 V用電設備，用2個控制器對電池組進行充放電，用一個控制器放電防止雙控制器放電干擾，最大程度避免兩類用電設備的功耗干擾，確保對24 V數據采集控制設備的持續供電，保障數據采集上線率。結構原理如圖5所示。

圖5 改造結構原理

優化井站原有3塊180 Wp太陽能電池板，12 V，200 Ah蓄電池4塊。

對于12 V供電系統新增4塊12 V，135 Wp太陽能電池板并聯，新增2塊12 V，200 Ah膠體鉛酸蓄電池，形成12 V，400 Ah系統儲能。計算后理論狀態能保證整個系統7天的供電，系統技術規格見表1。

表1 0.54 kW離網光伏發電系統

對于24 V供電系統新增2塊24 V，265 Wp太陽能電池板與原有太陽能電池板并聯，將原有的4塊蓄電池更換為同規格膠體鉛酸蓄電池，仍然形成 24 V，400 Ah系統儲能，理論能保證整個系統17天的供電，系統技術規格見表2。

表2 1.07 kW離網光伏發電系統

為進一步驗證優化效果，對試驗井站設備在線率進行統計：試驗井站連續陰雨天氣設備在線率由原來的43%上升至91%，詳見圖6；冬季夜間設備在線率也有較大提升，實現了太陽能供電系統的平穩運行，具體見圖7。

圖6 試驗井站連續陰雨天氣設備在線率

圖7 試驗井站冬季夜間設備在線率

4 結語

發展清潔、綠色、環保可再生能源是社會發展的大趨勢。油氣開發屬于高能耗行業，開發利用可再生新能源，既是企業自身發展的客觀要求，也是一種社會責任。近年來川中油氣礦一直致力于低碳發展，將太陽能供電系統運用于井站生產中，針對實際運用中存在的不足現象，將持續進行多方面調研，制定合適的優化措施并進行現場試驗、效果評價，持續提升太陽能供電系統適用性。