李棟

【摘 要】塔河油田地處塔里木盆地，太陽(yáng)能資源豐富，在油區(qū)內(nèi)將光伏發(fā)電與辦公建筑相結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)“碳中和”的有效方式。作為油田光伏供電系統(tǒng)建設(shè)計(jì)劃的先驅(qū)項(xiàng)目，通過(guò)對(duì)油田辦公區(qū)內(nèi)自發(fā)自用、余電上網(wǎng)模式的光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和運(yùn)行情況進(jìn)行分析，探討并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)在油田中的應(yīng)用效果和可推廣性。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng);并網(wǎng);平屋面;灰塵沉積

【中圖分類號(hào)】TE43 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2022）02-0102-03

0 引言

隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的不斷提高，成本不斷下降，近年來(lái)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑上得到了較好的應(yīng)用。為了響應(yīng)國(guó)家推廣新能源的號(hào)召，承擔(dān)綠色環(huán)保的社會(huì)責(zé)任，中石化西北油田分公司使用經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的太陽(yáng)能對(duì)辦公區(qū)建筑進(jìn)行了節(jié)能增效的供電改造，為油區(qū)后期的大型光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)提供數(shù)據(jù)和理論支撐。這種發(fā)電模式可以減少偏遠(yuǎn)地區(qū)公共電網(wǎng)壓力，屬于分布式發(fā)電方式的一種。

1 項(xiàng)目基礎(chǔ)

按照中國(guó)太陽(yáng)能資源分布標(biāo)準(zhǔn)，塔河油田屬于二類地區(qū)，為我國(guó)太陽(yáng)能資源較豐富的地區(qū)，年輻射總量達(dá)5 350～

6 570 MJ/m2，相當(dāng)于日輻射量達(dá)4.5～5.1 kW·h/m2，極具開發(fā)利用價(jià)值，適合推行太陽(yáng)能光伏發(fā)電項(xiàng)目[1]。但是，傳統(tǒng)的太陽(yáng)能蓄電池組不僅價(jià)格昂貴，而且使用壽命較短，維護(hù)困難，不適宜在西北地區(qū)惡劣的自然條件下推廣，先期建設(shè)在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的離網(wǎng)型光伏電站也因退出保護(hù)區(qū)而拆除，塔河油田雖有得天獨(dú)厚的太陽(yáng)能資源，但一直沒(méi)有得到有效利用。

為了響應(yīng)國(guó)家推廣綠色能源的號(hào)召，充分利用塔河地區(qū)豐富的太陽(yáng)能資源，西北油田采用光伏組件與辦公區(qū)建筑有效結(jié)合的方式，建設(shè)了自發(fā)自用、余電上網(wǎng)模式的平屋面并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)分析系統(tǒng)的發(fā)電效率和運(yùn)行情況，為油區(qū)后期的大型光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)提供數(shù)據(jù)和理論支撐。

2 設(shè)計(jì)原則

2.1 工作原理

并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)和離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)是太陽(yáng)能發(fā)電與建筑結(jié)合的兩種形式，設(shè)計(jì)原則是在滿足用電設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠的前提下，以綠色環(huán)保、降本增效、經(jīng)濟(jì)適用、維護(hù)簡(jiǎn)便為出發(fā)點(diǎn)，選擇并網(wǎng)型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。

項(xiàng)目以西北油田聯(lián)合基地辦公區(qū)為試點(diǎn)，建設(shè)的并網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)為市電互補(bǔ)型，又稱可逆流并網(wǎng)系統(tǒng)，主要由太陽(yáng)能光伏陣列輸出電能為負(fù)載提供工作電源，多余電能轉(zhuǎn)換成與油田電網(wǎng)同頻、同相、同幅的交流電后并入油田電網(wǎng)，當(dāng)光伏陣列輸出電能不足時(shí)，以油田電網(wǎng)交流配電予以補(bǔ)充。這種自發(fā)自用、余電上網(wǎng)的方式使得太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)靈活性高，維護(hù)更為便利，是目前的主流應(yīng)用技術(shù)[2]。

常見的分布式太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)包括太陽(yáng)能電池陣列、DC/AC組串式并網(wǎng)逆變器、匯流箱等。該系統(tǒng)通過(guò)屋頂?shù)奶?yáng)能電池陣列將光能轉(zhuǎn)化為電能，再利用直流電纜將組串好的陣列產(chǎn)生的電流引至匯流箱匯流。匯流箱匯流后接入組串式并網(wǎng)逆變器，最后經(jīng)逆變器輸出端口與辦公區(qū)低壓配電箱連接，為交流負(fù)載提供工作電源，同時(shí)并入油田電網(wǎng)（如圖1所示）。

2.2 太陽(yáng)能電池陣列安裝

在項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用中，選擇因退出保護(hù)區(qū)而拆除的多晶硅光伏板及相應(yīng)支架組成屋面太陽(yáng)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(yáng)能電池陣列與建筑的有機(jī)結(jié)合能夠有效減少占地面積，不影響基地內(nèi)的整體建設(shè)規(guī)劃。在平屋面安裝時(shí)需考慮建筑荷重、耐風(fēng)壓、排水、防震等因素，目前常見的平屋面太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)（Building Attached Photovoltaic）安裝方式有混凝土配重法（現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土基座及預(yù)制混凝土塊配重）、化學(xué)錨固螺栓固定法、支架底部整體連接固定法等[3]。辦公區(qū)平屋面BAPV安裝方式對(duì)比見表1。

在西北油田辦公區(qū)域，建筑高度普遍較低，為非上人屋面。風(fēng)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(jì)算

在標(biāo)準(zhǔn)情況下，投射在電池板上的日輻射量越多則轉(zhuǎn)換的電能越多，電池板的效率就越高。太陽(yáng)能電池組件的安裝位置應(yīng)保證在日照所有時(shí)間內(nèi)，沒(méi)有任何物體或陰影遮蔽。西北油田辦公區(qū)平屋面視野開闊，無(wú)陰影遮蔽情況，因此光伏組件安裝時(shí)主要考慮安裝的方位角和傾斜角（如圖2所示）。

輻射量的計(jì)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(shí)刻太陽(yáng)高度角;β為光伏陣列傾角。

根據(jù)“冬至日當(dāng)天早晨9：00至下午15：00的時(shí)間段內(nèi)，太陽(yáng)能電池板方陣不應(yīng)被遮擋”的原則，結(jié)合塔河地區(qū)所處的經(jīng)緯度（位于北緯41°～42°），可以得出該地區(qū)太陽(yáng)能電池組件以0°方位角、37°傾斜角安裝時(shí)接收的太陽(yáng)能輻射量最大[4]。

2.3 逆變器的選擇

逆變器是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心設(shè)備，合理配置逆變器，對(duì)提高太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和減少運(yùn)行損耗有著重要作用。

為了保證光伏發(fā)電系統(tǒng)可靠安全地運(yùn)行，逆變器要保證光伏逆變系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，不會(huì)對(duì)所并聯(lián)的電網(wǎng)產(chǎn)生較大的不良影響，也要保證并聯(lián)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，電網(wǎng)同樣不會(huì)使光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生損壞。

通過(guò)對(duì)庫(kù)存多晶硅光伏板及其支架的數(shù)量統(tǒng)計(jì)和總發(fā)電效率測(cè)算，結(jié)合實(shí)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(guò)低壓用戶側(cè)AC380 V并網(wǎng)。

組串式逆變器需配備有多路MPPT（功率點(diǎn)跟蹤），確保在不同的太陽(yáng)能輸入條件下，也能獲得最大的輸出功率。

3 光伏發(fā)電的效率分析

3.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率計(jì)算

太陽(yáng)能電池陣列的效率、逆變器的轉(zhuǎn)化效率、分布式交流并網(wǎng)效率等組成并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的總效率。

太陽(yáng)能電池陣列效率η1是指太陽(yáng)能電池陣列在太陽(yáng)輻射1 000 W/m2時(shí)，實(shí)際直流輸出功率與標(biāo)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(fēng)沙頻發(fā)，空氣中雜質(zhì)多、含沙量大，因而太陽(yáng)能電池板表面的沙塵堆積情況較為嚴(yán)重，整體的光電轉(zhuǎn)化效率會(huì)受到一定影響。同時(shí)，考慮到組件匹配中產(chǎn)生的電能損失、直流線路的損失及逆變器最大功率點(diǎn)跟蹤的精度偏差等問(wèn)題，因此計(jì)算時(shí)η1取額定效率的85%～90%。

逆變器的轉(zhuǎn)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(shí)際應(yīng)用為例，該項(xiàng)目使用的組串式逆變器效率為98%。

分布式交流并網(wǎng)效率η3：從逆變器輸出至高壓電網(wǎng)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(qū)光發(fā)電伏系統(tǒng)的總效率為η（79%～84%）=η1×η2×η3。

3.2 影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的因素

在西北油田辦公區(qū)平屋面建筑的實(shí)際應(yīng)用中，影響分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電效率的因素主要有如下幾點(diǎn)。

（1）太陽(yáng)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(shí)際安裝時(shí)的擺放位置與設(shè)計(jì)存在一定的誤差。

（2）太陽(yáng)能電池板的能耗。電池板自身也會(huì)有能耗，自身能耗越大，輸出的電能就會(huì)相應(yīng)減少。太陽(yáng)能電池板的使用年限越久，轉(zhuǎn)化效率也會(huì)相應(yīng)降低。

（3）周邊環(huán)境產(chǎn)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(qū)平屋面光伏陣列共使用多晶硅太陽(yáng)能電池板89塊，理論峰值功率為27.59 kW，運(yùn)行期間系統(tǒng)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(guò)數(shù)據(jù)采集和驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，在太陽(yáng)能電池板方位角不發(fā)生改變的情況下，影響該平屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率的原因主要有以下3點(diǎn)。

（1）多晶硅太陽(yáng)能電池板為舊物再利用，因使用年限超過(guò)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(fēng)沙、浮沉、陰雨等環(huán)境因素產(chǎn)生的影響（見表2）。由平屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電數(shù)據(jù)可知，在沙塵暴的影響下，日發(fā)電量較晴朗天氣衰減79%，同時(shí)沙塵暴過(guò)后會(huì)造成太陽(yáng)能電池板的灰塵沉積現(xiàn)象，為阻礙西北油田地區(qū)光伏項(xiàng)目推廣的最大原因。

（3）太陽(yáng)能光伏組件灰塵沉積的影響。為研究灰塵沉積對(duì)光伏組件的發(fā)電效率帶來(lái)的影響，在沙塵天氣過(guò)后對(duì)平面太陽(yáng)能電池板進(jìn)行了清洗作業(yè)，清洗前后光伏組件的峰值發(fā)電數(shù)據(jù)見表3。

根據(jù)該樣本數(shù)據(jù)可以計(jì)算出太陽(yáng)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(xiàn)象對(duì)西北油田地區(qū)太陽(yáng)能光伏發(fā)電效率的影響極大。

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

在西北油田辦公區(qū)的并網(wǎng)型光伏發(fā)電項(xiàng)目應(yīng)用中，共使用多晶硅太陽(yáng)能電池板89塊，理論峰值功率為27.59 kW，理論最高日發(fā)電量165.54 kW·h。

實(shí)際運(yùn)行期間：逆變器夏季的日平均工作時(shí)間超過(guò)12 h，其中有效日照時(shí)數(shù)約7 h，6～9月日平均發(fā)電量約118.7 kW·h;10～12月日平均發(fā)電量約73.9 kW·h。以該樣本數(shù)據(jù)計(jì)算，全年日平均發(fā)電量約96.3 kW·h，年均有效日照時(shí)數(shù)約5 h（與中國(guó)北方沙區(qū)太陽(yáng)能資源評(píng)估結(jié)果相近），年發(fā)電量可達(dá)3.5萬(wàn)kW·h，以電價(jià)1元/kW·h計(jì)算，約合3.5萬(wàn)元。

4.2 環(huán)保效益

以常規(guī)能源煤炭進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)專家統(tǒng)計(jì)，每節(jié)約1 kW·h電，可節(jié)約0.4 kg標(biāo)準(zhǔn)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(shí)耗費(fèi)0.4 L的水。

西北油田辦公區(qū)的并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)以年發(fā)電量3.5萬(wàn)kW·h計(jì)算，年度可節(jié)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(huì)環(huán)保效益和顯著的節(jié)能減排效果。

5 結(jié)語(yǔ)

塔河油田地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，在辦公區(qū)試行的平屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)能最大化利用建筑優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)合理，整體美觀，示范性強(qiáng)，有良好的社會(huì)環(huán)保效益和顯著的節(jié)能減排效果。

由于西北地區(qū)惡劣自然環(huán)境帶來(lái)的影響，風(fēng)沙天氣頻發(fā)，灰塵沉積后使得太陽(yáng)能光伏組件的發(fā)電效率大幅度降低，因此需要時(shí)常清洗以保證最佳轉(zhuǎn)化效率。夏季降雨量較高、冬季風(fēng)沙較少，光伏組件的主要清洗時(shí)間集中在春秋兩季，故建議維護(hù)人員在春秋季節(jié)組織2次光伏組件的全面清洗作業(yè)，沙塵暴天氣過(guò)后進(jìn)行針對(duì)性的臨時(shí)清潔。如果對(duì)平屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)大化建設(shè)，可考慮引入自動(dòng)噴淋系統(tǒng)，提高清洗頻率。

太陽(yáng)能無(wú)枯竭危險(xiǎn)、安全可靠、無(wú)噪聲、無(wú)污染、能源質(zhì)量高，是西北油田能耗管理的一個(gè)重要方向。隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的不斷完善，相關(guān)設(shè)備成本的逐漸降低，可以預(yù)見分布式并網(wǎng)發(fā)電將成為西北油田電力系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]劉淳，任立清，李學(xué)軍，等.1990—2019年中國(guó)北方沙區(qū)太陽(yáng)能資源評(píng)估[J].高原氣象.2021，40（5）：1213-1223.

[2]王長(zhǎng)貴，王新威.太陽(yáng)能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3]馬一鳴，馬龍祥.太陽(yáng)能光伏發(fā)電與建筑一體化[J].沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011（1）：9-12.

[4]胥良.地表斜面上輻射量的計(jì)算[J].云南民族學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（4）：492-493.