大慶油田光伏發電應用技術探討

張慶霞

中國石油集團電能有限公司供電公司

近年來我國實施了一系列政策和舉措，進行了非化石能源替代化石能源、低碳能源替代高碳能源，新型燃料和工業原料替代石油、天然氣的技術開發和應用[1]。“十四五”期間，中石油將啟動新能源專項規劃制定工作，積極推進化石能源與新能源全面融合發展的低碳能源生物圈建設，為打造有國際競爭力的綜合性能源公司奠定堅實基礎[2]。大慶地區光照充足，太陽能資源較為豐富。油田開發屬于高能耗行業，開發利用太陽能資源、實施綠色低碳發展戰略，既是企業自身發展的客觀要求，也是更好地承擔起油田企業節能減排的社會責任[3]。大慶油田分布式光伏新能源系統按照建設規模及利用土地形式大致分為5 種類型：①利用廢棄井場及井間土地建設固定式光伏發電系統；②圍墻光伏發電系統；③屋面光伏發電系統；④零散小負荷自立式光伏發電系統；⑤利用井場空地建設橇裝式光伏發電系統。

1 固定安裝式光伏發電系統

利用廢棄井場及井間土地建設光伏電站模式與社會企業開發分布式或集中式電站建設模式基本相同，項目投資由光伏組件、支架、基礎、場地處理、接入系統等幾部分組成。其中光伏組件、支架部分社會企業開發已經有比較成熟的經驗可供借鑒，接入系統部分需根據周邊電力系統情況確定方案；基礎、場地處理在規范中要求較高，但實際各開發企業均根據自身實際情況進行一定簡化以節省投資。由于油田的中區開發光伏發電采用的土地是位于井站之間，現行規范對安全距離及相互避讓的方式沒有統一規定，社會企業開發的光伏發電項目也沒有經驗可供借鑒。針對上述兩個問題，在項目設計過程中與采油單位進行了溝通，并對社會企業開發的分布式項目現場進行了調研，總結出大慶油田的光伏發電設計方案。

1.1 地基及場地處理

土建樁基礎以4 m 長管樁為主，場地條件較好時采用4 m 長管樁（樁基埋深不少小2.5 m，地面1.5 m）。基樁選用C60 預應力混凝土管樁PC300(70)B 型（直徑300 mm，下同）[4-6]。地下水位較高的低洼地，可采用6 m 長管樁，埋深4～4.5 m，露出地面1.5～2 m。對于蘆葦蕩等比較嚴重的低洼地，可根據水深采用6 m 以上管樁，并適當增大樁基間距。光伏電站原則上不做豎向設計，大、中型電站可建設站內道路，小型電站暫時不建設站內道路，根據具體工程情況可與附近通井路相連修建進站路，施工原則上按照現有場地情況擇機進行施工。

1.2 光伏組件與建、構筑物間距

光伏發電組件與建、構筑物的間距需綜合考慮防火間距、作業間距及固定遮擋等因素[7]。

（1）光伏組件與工藝管線（包括地下管線）安全距離應滿足：①施工作業（開挖）需避讓工藝管線，組件基礎與管線外壁間距按4 m 考慮；②工藝管線外壁與光伏組件基礎樁距離大于1.5 m；③光伏組件接地裝置距埋地管線大于5 m（管線采取故障屏蔽、接地、隔離防護等措施后，間距可適當減小）。

（2）如光伏組件傾倒會影響油田生產或造成重大危害，光伏組件與油井，閥組間及站場內外重要建、構筑物的安全距離為光伏組件高度的1.5 倍。

（3）經與運行單位溝通，已建油井作業面（單側即可）為25 m，已建水井作業面（單側即可）為18 m，規劃油水井作業面為40 m。故光伏組件與已建油井間距大于25 m、距離已建水井間距大于18 m（單側即可，另一側滿足防火間距），距離規劃油水井大于40 m。

（4）光伏組件距離南側桿狀物體（主要指線路電桿）距離：原則上為春分、秋分陰影遮擋導致發電量損失應小于0.3%，夏至陰影遮擋導致發電量損失應小于8%，且全年遮擋不會引起光伏組件光斑效應。經PVsyst 軟件仿真計算得出，光伏組件距離桿體間距宜大于1 倍桿高，最小間距不應小于40%桿高。

（5）光伏組件距離南側固定遮擋物體距離：原則是冬至日當天早晨9:00～15:00（當地真太陽時）的時間段內，光伏陣列不應被遮擋，由公式（1）、圖1 可知，大慶地區緯度范圍內避讓距離為4.5 倍遮擋物高度。

圖1 光伏陣列遮擋計算Fig.1 Photovoltaic array shielding calculation

式中：L為陣列傾斜面長度，m；D為兩排陣列間距離，m；β為陣列傾角，°；φ為當地緯度，°；α為太陽高度角，°。

2 圍墻光伏發電系統

利用油田站場圍墻布置太陽能電池板，充分利用站場圍墻空間，有效利用太陽能資源，接入站場0.4 kV 供電系統，就地消納。

2.1 安裝方案

南北側圍墻各立柱支架采用橫向支架相連，在支架上密鋪光伏組件；東西側每個圍墻立柱上并列安裝2 塊光伏組件。光伏組件傾角42°，底部距地面1.8 m。通過4 支鋁合金連接件與橫向檁條連接；橫向檁條通過螺栓固定在斜梁上，斜梁通過螺栓及抱箍與圍墻立柱卡緊。圍墻光伏組件安裝如圖2、圖3 所示。

圖2 光伏板支架平面布置Fig.2 Plan layout of PV panel support

圖3 光伏板支架立面布置Fig.3 Elevation layout of PV panel support

2.2 工程案例

以某配置站為例，利用站場圍墻，設計圍墻光伏發電系統。站內北面圍墻可利用長度為180 m，南面圍墻可利用長度為138 m，東西圍墻可利用長度共204 m。圍墻光伏發電系統組件總數為324片，總裝機功率174.96 kWp。總造價79.76 萬元，折合單位裝機容量造價4 559 元/kWp。年發電量26.71×104kWh，折合單位裝機容量的年發電量1 526.6 kWh[8]。

3 屋面光伏發電系統

利用油田站場非爆炸危險性廠房朝陽屋面布置太陽能電池板，充分利用站場廠房屋面空間，有效利用太陽能資源，接入站場0.4kV 供電系統，就地消納。

3.1 安裝方案

屋面為坡面時，光伏組件平鋪在朝南屋面。屋面結構主要分為2 種，一種是砌體鋼屋架結構，屋面傾斜度1∶3，傾斜角度18.43°；另一種是門剛結構，屋面傾斜度1∶10，傾斜角5.71°。每塊光伏板由4 支鋁合金連接件與U 型導軌相連；光伏板下橫向U 型導軌采用單面卷邊槽鋼；橫向U 型導軌與屋面冷彎薄壁Z 型附檁在屋面彩板波峰處通過自攻螺釘固定連接（圖4）。

圖4 屋面光伏組件導軌安裝圖Fig.4 Installation diagram of roof photovoltaic module guide rail

3.2 工程案例

（1）屋面為砌體鋼屋架結構。站內南北向廠房建筑面積1 192.5 m2，屋面采用0.6 mm 厚彩色壓型鋼板，坡度1∶3。屋面面積約1 416.8 m2，其中南坡面積708.4 m2。屋面坡度18.43°。屋面光伏發電系統組件總數為192 片，總裝機功率103.68 kWp。總造價41.76 萬元，折合單位裝機容量造價4 028 元/kWp。年發電量13.92×104kWh，折合單位裝置容量的年發電量為1 342 kWh。若廠房朝向為東西方向，則折合單位裝機容量的年發電量為1 118 kWh 。

（2）屋面為門鋼結構。屋面面積與砌體鋼屋架結構的面積相同，傾角為5.71°時，屋面光伏發電系統組件總數為192 片，總裝機功率103.68 kWp。總造價41.80 萬元，折合單位裝機容量造價4 032元/kWp。年發電量12.52×104kWh，折合單位裝機容量的年發電量1 207 kWh。若廠房朝向為東西方向，則折合單位裝機容量的年發電量為1 133 kWh。

3.3 存在的問題

屋面安裝光伏組件只能在注水、污水、聚合物等非防爆廠房的屋面安裝，且北面屋面發電效率低，東西屋面發電效率較低。屋面光伏板冬季清雪較困難，可采用車載式升降機載人上屋面進行人工清掃。

4 零散小負荷光伏發電系統

油田零散小負荷光伏發電系統主要為中、大型站場內非防爆區域室外監控用攝像機，道路照明以及偏遠位置的數字化水井供電。

4.1 工程方案

零散小負荷采用光伏儲能供電方式，新建1 套自立式光伏儲能裝置。系統主要由太陽能電池板、智能充放電控制器、蓄電池三部分組成[9]，其安裝示意圖如圖5 所示。太陽能電池板立桿安裝，與攝像頭、路燈共桿，朝向正南方向，傾角為42°。蓄電池裝于電池箱內，電池箱埋至凍土層以下。

圖5 零散小負荷采用光伏儲能安裝示意圖Fig.5 Installation diagram of photovoltaic energy storage for scattered small loads

4.2 與常規供電方式對比分析

（1）投資效益對比。零散小負荷采用光伏儲能供電方式與常規供電方式一次投資及效益對比見表1。室外攝像機和路燈采用光伏儲能供電方式比采用常規供電方式投資少，且耗電方面也有較大節約，而數字化水井采用光伏儲能供電方式投資費用有增加，節約電費也較少。

表1 油田零散小負荷單臺供電系統一次投資對比Tab.1 Comparison of primary investment of single power supply system with scattered small loads in oilfield

（2）設備維護。常規配電方式電纜及架空線路在場區內敷設量大、距離長，當出現線路故障時極難查找故障點；光儲裝置維護量較小，易查找故障點，施工時無需敷設電纜，減少施工開挖面積，施工方便。

5 井場小型光伏發電系統

站外油井井場主要分單井及平臺井，隨著井數增加，站地面積隨著增加。經與總圖專業落實，單井井場征地面積為30 m×40 m，施工結束后，井場墊土占地為7 m×15 m。可利用井場部分空地建設小型光伏電站，就近接入油井0.4 kV 供電系統，就地消納[10]。

5.1 工程方案

在井場朝南方向設置“一”字形雙面光伏板，采用橇裝形式，8 個組件組成一個橇(單橇尺寸9.3 m×1.7 m×2.0 m)，整體橇可搬遷，為了防止牲畜破壞，井場周圍設1.8 m 高刺絲網圍欄（圖6）。底座采用螺栓連接至樁基，連接法蘭設置在地面下0.1 m 處，保障橇體臨時拆卸后樁基不會被作業車輛碾壓變形。橇座上設立柱支架，立柱之間采用橫向支架相連，光伏板傾角42°（圖7）。每個橇裝安裝組件總數為8 片，總功率4.32 kWp。每個井場安裝組件總數為64 片，總裝機功率34.56 kWp。年發電量5.27×104kWh，折合單位裝機容量的年發電量1 524.9 kWh。

圖6 井場光伏板布置圖Fig.6 Layout of well pad photovoltaic panel

圖7 橇裝光伏電站安裝示意圖Fig.7 Installation diagram of skid-mounted photovoltaic power station

5.2 存在的問題及建議

橇座基礎占地較大。光伏組件占空間較大，拉運困難。可將橇座、光伏組件及支架采用分體設計，便于運輸。組裝后，光伏組件與支架采用上下可旋轉安裝。如橇裝光伏需移動位置，可只拆卸橇座，光伏組件與支架可折疊，方便運輸及二次安裝。新建井場進場路盡量布置在北側區域。荒地井場盡量正南正北布置，對地形影響較大的井場布置時可根據土地情況盡量與南向偏移25°以內。

6 結語

大慶油田光伏新能源按建設規模及利用土地的形式，制定了廢棄井場及井間土地、站場圍墻、廠房屋面和抽油機井場零散空地布局光伏發電系統的方案。廢棄井場及井間土地可建設集中式光伏電站，光伏組件土建樁基礎基樁選用C60 預應力混凝土管樁PC300(70)B 型基裝，根據場地條件選擇4～6 m 不同長度；圍墻光伏發電利用油田站場圍墻布置太陽能電池板，將光伏組件傾斜42°角安裝在圍墻頂部，通過支架及檁條固定在圍墻立柱上，光伏發電系統單位裝機容量的年發電量可達1 526.6 kWh；屋面光伏發電系統利用油田站場非爆炸危險性廠房朝陽屋面布置太陽能電池板，光伏組件平鋪在屋面，傾斜角度與屋面坡度一致，光伏發電系統單位裝機容量的年發電量可達1 133 kWh；零散小負荷采用光伏儲能供電方式，新建1 套自立式光伏儲能裝置；井場小型光伏發電系統在井場朝南方向設置“一”字形雙面光伏板，采用橇裝形式，在修井作業時可整體橇進行搬遷，光伏單位裝機容量的年發電量可達1 524.9 kWh。通過對光伏發電系統的5 種安裝方案進行了技術探討，分散式的小光伏發電效率達到了預期，可以作為適合大慶油田的光伏發電建設設計方案，明確了今后大慶油田光伏發電工程項目的設計路線。