分布式光伏发电在某油田的优化设计与应用.pdf

收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 3作者简介:解宇航(2 0 0 3-),男,陕西省西安人,东北石油大学石油工程学院,本硕连读,主要研究方向:新能源和地面工艺。分布式光伏发电在某油田的优化设计与应用解宇航,张继红,杨二龙,王书婷(东北石油大学 石油工程学院,黑龙江 大庆 1 6 3 3 1 8)摘要:自我国提出“双碳”目标以来,油田将“绿色低碳”作为油田发展战略之一,发展清洁能源是解决能源危机和环境保护的有效途径和必然趋势。分布式光伏发电以其“无污染、储量大、强度高、分布广”等优势,以及“技术成熟、无需指标、就地消纳,可利用油田现有井场闲置土地及建筑物屋顶快速大规模推广应用”的特性,成为油气田清洁能源替代的首选。但光伏发电在油田应用基本处于起步阶段,同时由于油田所处地的地理位置、大气环境、供配电系统现状、可利用面积情况和属地政策等因素影响,需要针对性的进行太阳能资源评价分析和光伏发电优化设计,确保效益最大化。现场应用后,取得了较好的经济效益,也为其它油气田的光伏发电提供了启示和借鉴。关键词:油气田;光伏发电;评价分析;优化设计;应用中图分类号:T E 4 3 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6-7 9 8 1(2 0 2 3)0 7-0 0 1 4-0 41 引言自我国提出“双碳”目标以来,油田上下积极响应国家号召,将“绿色低碳”作为油田发展战略之一,绿色低碳的发展模式步入了良性循环,发展清洁能源是解决能源危机和环境保护的有效途径和必然趋势。为提高清洁能源在油田开发行业中的占比,分布式光伏发电以其“无污染、储量大、强度高、分布广”等优势,以及“技术成熟、无需指标、就地消纳,可利用油田现有井场闲置土地及建筑物屋顶快速大规模推广应用”的特性,成为油气田清洁能源替代的首选和热点。但光伏发电在油田应用基本处于空白,同时由于油田所处地的地理位置、大气环境、供配电系统现状、可利用面积情况和属地政策等因素影响,需要针对性的进行太阳能资源评价分析和光伏发电优化设计,确保效益最大化。2 现状该油区地处陕北黄土高原,工作区域点多、线长、面广,区域沟壑纵横,梁峁起伏,地面支离破碎,地面海拔11 0 016 0 0 m,相对高差4 0 0 m左右。属于暖温带和温带半干旱大陆性季风气候,光照充足,四季分明,温凉干燥,降雨不均,易于干旱,冬长夏短,霜期较长,风沙较多。根据气象资料统计,常年平均气温约8.4,全年极端最低气温-2 8.7,极端最高气温3 7.3。油区供电坚持“集中引接外电,区域自建系统”的原则,建成了以1 1 0 k V为中心、3 5 k V为骨架、1 0 k V为基础的油田三级电网系统,建成变电站3 3座,1 0 k V井场变压器2 0 3 3台,年供电量5.6亿千瓦时,1 0 k V线路均已接至油田各井场、转油站、联合站、供注水站和生活保障点,覆盖面广、供电能力可靠。3 太阳能资源评价3.1 区域太阳能资源陕北地区地势海拔高、阴雨天气少、日照时间长、辐射强度高、大气透明度好。陕西省年平均太阳总辐射量为44 0 0 61 0 0 M J/m2,太阳能资源丰富1。3.2 太阳辐射数据由于场址中心与气象站距离较远(1 1 0 k m),依据气象站太阳辐射数据推算项目场址处太阳辐射数据的过程中存在一定误差,因此不宜采用气象站太阳辐射数据2。通过 对 选 址 区NA S A、M e t e o n o r m、S o l a r G I S三种数据水平面辐射量进行对比,三种数据源的月际变化一致性较好,又由于S o l a r g i s具有高精度数据库,地区间的可靠性和稳定性,结合实际经验,延安地区项目选用S o l a r g i s辐射数据作为项目太阳辐射研究依据。3.3 太阳辐射数据分析陕北地区太阳总辐射量的月季变化较大,其数值波动区间在2 9 4.66 4 2.1 M J/m2之间,月总辐射量从1月开始增加,5月份达到最大,8月份开始明显减小。5月月辐照量最大值为6 4 2.1 M J/m2,1 241 内蒙古石油化工2 0 2 3年第7期 月最 小 值 为2 9 4.6 M J/m2,其 年 均 太 阳 总 辐 射 量为55 5 8.9 M J/m2。图1 多种太阳辐射数据源对比图图2 多年各月水平面辐射和散射辐射柱状图3 各月典型代表日水平面总辐射3.4 工程代表年的选择3由于太阳辐射具有随机性,根据各年的太阳辐射数据来计算相关的工程设计参数其结果会有很大的误差。因此要从多年的气象数据中挑选出具有代表性的太阳辐射数据,建立工程代表年以充分反应长期的太阳辐射变化规律。工程代表年的确定是通过分析长序列数据的年际变化曲线,结合当地的气候变化特点,挑选最近1 0年以来年际变化较小的时间区间作为代表年时间序列确定的时间区间。工程代表年的确定一般采用气候平均法进行确定,即:对1年中每个时刻(时段)的太阳能资源各要素求平均值,将平均值作为1年完整时间序列数据。表1 工程代表年标准月辐照量月份1月2月3月4月5月6月总辐射量(M J/m2)3 1 5.43 5 2.55 0 3.55 7 5.56 4 2.16 2 6.8月份7月8月9月1 0月1 1月1 2月总辐射量(M J/m2)5 9 6.45 4 4.54 2 0.43 8 4.83 0 2.52 9 4.6 该油区太阳总辐射量55 5 8.9 M J/m2,可判定评估目标处太阳能资源丰富程度等级均为B,资源很丰富,有较高的开发利用价值。该油区水平面太阳总辐射稳定度0.4 6,可判定评估目标处太阳能资源稳定度等级为稳定。3.5 特殊气候影响分析3.5.1 高温天气影响本项目 所 选 逆 变 器 的 工 作 环 境 温 度 范 围 为-2 5+5 0,电池组件的工作温度范围为-4 0+8 5。正常情况下,太阳电池组件的实际工作温度可保持在环境温度加3 0的水平。拟选场区的气温条件对太阳能电池组件的可靠运行及安全性没有影响。逆变器通过设置加热和通风系统,亦可以安全可靠运行。3.5.2 沙尘天气影响油田风沙天气较多。大气中的沙尘一方面会削弱到达地面的太阳辐射,另一方面可能加大光伏发电设备的磨损,而沉降在光伏组件表面的沙尘则会降低太阳能发电量。因此在光伏组件使用过程中,需要对组件定期清洁。3.5.3 大风天气影响大风天气对裸露在大气中的电池板构成较大的威胁,轻者可引起光伏组件损伤,重者造成光伏组件被大风吹翻。还可能对光伏电站的电力、通讯线路及其支承塔架带来危害,造成支架倒塌(降低支架的防腐性能)、电线断裂而造成线路中断。场址所在区多年平均风速为1.82.7 m/s,太阳能电池组件迎风面积较大,组件支架设计必须考虑风荷载的影响,应充分考虑支架的牢固性。3.5.4 雷暴天气影响由于太阳能组件、架构和电线线路等多建在空旷地带,处于雷雨云形成的大气电场中,相对于周围环境,往往成为十分突出的目标,很容易受直接雷或感应雷影响,造成一定损坏。因此在太阳能电站选址、布局和设计中,需要充分考虑雷电可能造成的危害。3.5.5 极端降雪影响积雪有可能造成光伏组件的大面积损坏,影响光伏电站电能输出。所以,在进行光伏发电系统设计时都需要对降雪因素进行考虑。降雪后应及时51 2 0 2 3年第7期解宇航等 分布式光伏发电在某油田的优化设计与应用巡查,对落在组件面上的积雪应予以处理。4 技术分析和优化设计该油田现有各类井场23 0 0座、场站和生活点4 6 0座。以油区内井场、建筑物为发电单元,每个井场、建筑物屋顶4-6根据可利用面积布设太阳能光伏电池,采取应布尽布的原则,并配套相应容量、数量的组 串 式 逆 变 器,组 串 式 逆 变 器 出 口 电 压 为0.4 k V,就近接入油田配电网系统,自我消纳。4.1 太阳能电池组件选型4.1.1 电池片类别选择单晶硅电池是最早出现、工艺最成熟的太阳能光伏电池,也是光伏组件大规模生产中效率最高的。与其他种类的电池相比,其稳定性好,同等容量太阳能电池组件所占面积小,虽成本较高,在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,建议采用单晶硅组件。表2 光伏组件光电转换效率组件种类实验室最高效率商业化批量生产效率多晶硅光伏组件2 3.8 1%1 8.8 0%单晶硅光伏组件2 4.7 0%2 0.7 0%非晶硅薄膜光伏组件1 7.6 0%6%1 0%碲化镉(C d T e)1 9.5 0%1 1%1 4%铜铟镓硒(C I G S)2 5%1 6.0 1%高倍聚光光伏组件4 2.7 0%2 4%4.1.2 组件选择综合考虑效率值与成本以及市场占有度及供货能力,选用P型组件技术。表3 光伏组件光电转换效率组件类型P型单晶P E R CN型T o p C o nN型H I TN型I B C量产平均电池效率(%)2 3.22 42 4.22 5理论电池效率极限(%)2 4.52 8.72 7.52 6.6量产组件功率(正面)(W)5 4 55 6 05 6 55 7 0双面率7 05%约8 0%约9 0%极低理论最佳初始光衰(%)2.01.01.01 0 0%综合评价性价比最高发电能力强;目前批量量产,各家稳定性差异较大,成本差异较大。低光衰,效率提升潜力最大,成本高,发电能力强。效率最高,成本最高,工艺复杂;发电能力强。4.1.3 单双面选择考虑双面组件5%1 0%的发电量增益,其度电成本 将 低 于 单 面 组 件(数 据 显 示,在 高、中、低B O S成本情景下,5%的发电量增益可以使双面双玻组件度电成本比单面组件低0.81.3分/度电)。综上,推荐采用双面双波P型单晶硅组件。表4 5 4 5W p单双面组件经济性对比表单面单晶硅双面单晶硅发电量增加倍数11.0 4直接投资增加倍数11.0 2 6L C O E增加倍数10.9 7 4经济性排序214.1.4 不同尺寸电池片组件对比目前市场上主要有1 6 6/1 8 2/2 1 0 mm三种规格电池片,1 6 6组件市场占有率较低,供货能力不足,无法满足大型地面电站使用需求。2 1 0组件生产厂商数量较少,在设备招标及供货周期上均存在较大局限性。1 8 2组件生产厂商数量较多,市场占有率高,供货可靠性有保障。综上,推荐选用1 8 2规格电池片组件。1 8 2规 格 组 件 对 应 的 光 伏 组 件 有5 3 0W p、5 3 5W p、5 4 0W p、5 4 5W p等几种规格,价格差距较小。考虑组件用量大,优先选用单位面积功率大的电池组件,相应减少投资。推荐硅片尺寸为1 8 2 mm单体功率为5 4 5W p单晶双面太阳能组件。4.2 光伏阵列运行方式选择7结合分布式井场光伏,场址分布广泛、不易于后期运维等特点,同时考虑固定式倾角支架系统基本免维护满足无人值守要求,因此,考虑到降低初始投资和控制后期运行成本,确保电站预期收益,推荐采用固定倾角支架方案。4.3 光伏阵列最佳倾角P V S y s t e m是一款瑞士的光伏系统设计辅助软61 内蒙古石油化工2 0 2 3年第7期 件,常用于指导光伏系统设计和发电量进行模拟计算8。考虑前后排遮挡二次优化结果:当组件方位角为0,倾角为3 3 时,组件倾斜面上的年总辐射量达到最大。对于固定式并网光伏发电系统,一般选择最佳倾角作为阵列安装倾角,最佳倾角按照G B 5 0 7 9 7-2 0 1 2 光伏发电站设计规范 的要求:倾角宜使光伏方阵的倾斜面上全年发电量最大。图4 P v s y s t倾角二次优化模拟4.4 逆变器的选择9本项目单体容量较小且布置分散,结合场址区地形情况,经综合分析,本项目建议选用组串式逆变器,逆变器容量根据井场光伏容量进行配置,81 1 0 kW不等。4.5 光伏阵列设计1 0光伏组件串联数量计算:依据G B 5 0 7 9 7-2 0 1 2 光伏发电站设计规范 中组串计算公式,经计算,该油区拟选用光伏组件的最大串联数均为2 0(串)。光伏组件串的排布:为了接线简单,线缆用量少,施工复杂程度低,在工程计算的基础上,对光伏组件进行排列,推荐排布方案:根据地形固定式支架采用2行1 0列竖向布置。光伏组件串的间距:对于固定式太阳能方阵,必须考虑前、后排的阴影遮挡问题,并通过计算确定方阵间的距离或太阳能电池方阵与建筑物的距离。一般的确定原则是:冬至日当天早晨9:0 0至下午3:0 0的时间段内,太阳能电池方阵不应被遮挡。最佳倾角:3 3,最小间距:1 0.5 m。5 结论(1)该油区太阳总辐射量55 5 8.9 M J/m2,太阳能资源丰富且稳定,有较高的开发价值;同时该油区电力系统配套完善、井场和场站多,也为分布式光伏发电的规模应用提供了较好的基础条件。(2)油气田分布式光伏发电目前处于起步阶段,通过针对性的优化设计和现场应用,产生了较好的经济效益,也对兄弟油气田的同类项目起到借鉴意义。(3)清洁能源项目在油气田具有广阔的应用前景,也是一项的系统工程,应与提质增效、节能减排、智能化油田建设等深度融合,能够产生更好的经济效益和社会效益。参考文献1 周扬,吴文祥,胡莹,等.西北地区太阳能资源空间分布特征及资源潜力评估J.自然资源学报,2 0 1 0,2 5(1 0):1 7 3 8-1 7 4 9.2 申彦波,赵宗慈,石广玉.地面太阳辐射的变化影响因子及其可能的气候效应最新研究进展J.地球科学进展,2 0 0 8,2 3(9):9 1 5-9 2 3.3 常蕊,申彦波,郭鹏.太阳能资源典型年挑选方法的适用性对比研究J.高原气象,2 0 1 7,3 6(6):1 7 1 3-1 7 1 9.4 李娟,丁蕾,王娅.太阳能光伏发电技术在绿色建筑中的应用分析J.沈阳工程学院学报(自然科学版),2 0 1 8,1 4(1):1-4,2 2.5 徐伟,张慧慧.公共建筑光伏系统太阳能利用潜力评价J.重庆大学学报,2 0 2 1,4 4(3):5 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