光伏發電在油田辦公區的應用研究

李棟

【摘 要】塔河油田地處塔里木盆地，太陽能資源豐富，在油區內將光伏發電與辦公建筑相結合，是實現“碳中和”的有效方式。作為油田光伏供電系統建設計劃的先驅項目，通過對油田辦公區內自發自用、余電上網模式的光伏發電系統的發電效率和運行情況進行分析，探討并網型光伏發電系統在油田中的應用效果和可推廣性。

【關鍵詞】太陽能發電系統;并網;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

隨著太陽能光伏發電技術的不斷提高，成本不斷下降，近年來太陽能光伏發電系統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，承擔綠色環保的社會責任，中石化西北油田分公司使用經濟、環保、可持續發展的太陽能對辦公區建筑進行了節能增效的供電改造，為油區后期的大型光伏發電項目建設提供數據和理論支撐。這種發電模式可以減少偏遠地區公共電網壓力，屬于分布式發電方式的一種。

1 項目基礎

按照中國太陽能資源分布標準，塔河油田屬于二類地區，為我國太陽能資源較豐富的地區，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，極具開發利用價值，適合推行太陽能光伏發電項目[1]。但是，傳統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，不適宜在西北地區惡劣的自然條件下推廣，先期建設在一些偏遠地區的離網型光伏電站也因退出保護區而拆除，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，充分利用塔河地區豐富的太陽能資源，西北油田采用光伏組件與辦公區建筑有效結合的方式，建設了自發自用、余電上網模式的平屋面并網型光伏發電系統，通過分析系統的發電效率和運行情況，為油區后期的大型光伏發電項目建設提供數據和理論支撐。

2 設計原則

2.1 工作原理

并網型光伏發電系統和離網型光伏發電系統是太陽能發電與建筑結合的兩種形式，設計原則是在滿足用電設備運行穩定可靠的前提下，以綠色環保、降本增效、經濟適用、維護簡便為出發點，選擇并網型太陽能發電系統。

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

常見的分布式太陽能光伏供電系統包括太陽能電池陣列、DC/AC組串式并網逆變器、匯流箱等。該系統通過屋頂的太陽能電池陣列將光能轉化為電能，再利用直流電纜將組串好的陣列產生的電流引至匯流箱匯流。匯流箱匯流后接入組串式并網逆變器，最后經逆變器輸出端口與辦公區低壓配電箱連接，為交流負載提供工作電源，同時并入油田電網（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合能夠有效減少占地面積，不影響基地內的整體建設規劃。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電系統（Building Attached Photovoltaic）安裝方式有混凝土配重法（現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]。辦公區平屋面BAPV安裝方式對比見表1。

在西北油田辦公區域，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，沒有任何物體或陰影遮蔽。西北油田辦公區平屋面視野開闊，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“冬至日當天早晨9：00至下午15：00的時間段內，太陽能電池板方陣不應被遮擋”的原則，結合塔河地區所處的經緯度（位于北緯41°～42°），可以得出該地區太陽能電池組件以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電系統中的核心設備，合理配置逆變器，對提高太陽能光伏發電系統的發電效率和減少運行損耗有著重要作用。

為了保證光伏發電系統可靠安全地運行，逆變器要保證光伏逆變系統發生異常時，不會對所并聯的電網產生較大的不良影響，也要保證并聯電網發生故障時，電網同樣不會使光伏發電系統產生損壞。

通過對庫存多晶硅光伏板及其支架的數量統計和總發電效率測算，結合實際情況，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AC380 V并網。

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 光伏發電的效率分析

3.1 光伏發電系統的效率計算

太陽能電池陣列的效率、逆變器的轉化效率、分布式交流并網效率等組成并網光伏發電系統的總效率。

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，空氣中雜質多、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，整體的光電轉化效率會受到一定影響。同時，考慮到組件匹配中產生的電能損失、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%。

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

西北油田地區光發電伏系統的總效率為η（79%～84%）=η1×η2×η3。

3.2 影響光伏發電系統的因素

在西北油田辦公區平屋面建筑的實際應用中，影響分布式光伏并網系統發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，轉化效率也會相應降低。

（3）周邊環境產生的影響。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%。

通過數據采集和驗證發現，在太陽能電池板方位角不發生改變的情況下，影響該平屋面光伏發電系統轉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、陰雨等環境因素產生的影響（見表2）。由平屋面光伏發電系統的發電數據可知，在沙塵暴的影響下，日發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象，為阻礙西北油田地區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，清洗前后光伏組件的峰值發電數據見表3。

根據該樣本數據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，灰塵沉積現象對西北油田地區太陽能光伏發電效率的影響極大。

4 效益分析

4.1 經濟效益

在西北油田辦公區的并網型光伏發電項目應用中，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，其中有效日照時數約7 h，6～9月日平均發電量約118.7 kW·h;10～12月日平均發電量約73.9 kW·h。以該樣本數據計算，全年日平均發電量約96.3 kW·h，年均有效日照時數約5 h（與中國北方沙區太陽能資源評估結果相近），年發電量可達3.5萬kW·h，以電價1元/kW·h計算，約合3.5萬元。

4.2 環保效益

以常規能源煤炭進行對比，根據專家統計，每節約1 kW·h電，可節約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。

西北油田辦公區的并網型光伏發電系統以年發電量3.5萬kW·h計算，年度可節約煤炭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，有極大的社會環保效益和顯著的節能減排效果。

5 結語

塔河油田地區太陽能資源豐富，在辦公區試行的平屋面光伏發電系統能最大化利用建筑優勢，設計合理，整體美觀，示范性強，有良好的社會環保效益和顯著的節能減排效果。

由于西北地區惡劣自然環境帶來的影響，風沙天氣頻發，灰塵沉積后使得太陽能光伏組件的發電效率大幅度降低，因此需要時常清洗以保證最佳轉化效率。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組織2次光伏組件的全面清洗作業，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電系統進行擴大化建設，可考慮引入自動噴淋系統，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。隨著太陽能光伏發電技術的不斷完善，相關設備成本的逐漸降低，可以預見分布式并網發電將成為西北油田電力系統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.太陽能光伏發電實用技術[M].北京：化學工業出版社，2005.

[3]馬一鳴，馬龍祥.太陽能光伏發電與建筑一體化[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.