井站太陽(yáng)能供電系統(tǒng)現(xiàn)狀及優(yōu)化措施

李靜

（中國(guó)石油西南油氣田公司，四川遂寧 629000）

1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電在井站的實(shí)際應(yīng)用

川中油氣礦所轄區(qū)域多以耕地和草地為主，高大遮擋物較少，地勢(shì)較為平坦，具有良好的光伏發(fā)電建設(shè)條件。油氣礦于2011年開(kāi)始數(shù)字化氣田建設(shè)，通過(guò)SCADA系統(tǒng)工程、生產(chǎn)信息化工程等舉措大力實(shí)施氣田信息建設(shè)和改造，基本建成了礦區(qū)生產(chǎn)信息化系統(tǒng)的整體架構(gòu)。目前已建成了信息化生產(chǎn)場(chǎng)站400余座，信息化生產(chǎn)場(chǎng)站設(shè)備的供電方式主要有電網(wǎng)供電＋UPS電源和太陽(yáng)能供電；其中太陽(yáng)能供電場(chǎng)站共51座，主要用于地處偏遠(yuǎn)、電網(wǎng)接入困難且場(chǎng)站負(fù)荷較低的無(wú)人值守井站 （閥室），詳見(jiàn)圖1。

圖1 井站太陽(yáng)能供電系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)示意

為使太陽(yáng)能供電系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠的電源，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)太陽(yáng)能輻射量、用電負(fù)荷特性、負(fù)荷容量等進(jìn)行計(jì)算，最終對(duì)供電系統(tǒng)主要設(shè)備做出經(jīng)濟(jì)合理的選擇。在川中地區(qū)，太陽(yáng)能供電系統(tǒng)井站建設(shè)時(shí)考慮功耗為11 W，相應(yīng)配置為3塊180 Wp 太陽(yáng)能板，4塊12 V，200 Ah蓄電池。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用存在問(wèn)題及優(yōu)化方式

2.1 存在問(wèn)題及原因分析

由于太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的能量易得、安全可靠、無(wú)噪聲、無(wú)污染等特點(diǎn)，在川中油氣礦無(wú)人值守井站（閥室）得到廣泛應(yīng)用。但根據(jù)近幾年現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，天氣、日照時(shí)間等因素對(duì)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的正常使用有一定影響，在進(jìn)入冬季或連續(xù)陰雨天氣時(shí)（陰雨天氣可能持續(xù)1個(gè)月甚至更久），太陽(yáng)能供電系統(tǒng)發(fā)電量不足，無(wú)法保證井站正常生產(chǎn)工作。經(jīng)初步分析主要存在以下原因。

2.1.1 太陽(yáng)能設(shè)備發(fā)電量不足

（1）由于川渝地區(qū)日照時(shí)間短且多云多霧，到達(dá)地面的太陽(yáng)光以散射光居多，導(dǎo)致普通的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)發(fā)電量不夠，且部分井站還存在實(shí)際設(shè)備負(fù)荷高于初始設(shè)計(jì)負(fù)荷現(xiàn)象，使得發(fā)電量不足現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重。

（2）太陽(yáng)能板位于野外且高空安裝，無(wú)人進(jìn)行經(jīng)常性維護(hù)，太陽(yáng)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(dá)光伏電池表面上的光強(qiáng)和光電效應(yīng)減弱，光伏發(fā)電量減少。從玻璃蓋板整體來(lái)看，由于酸性或堿性灰塵對(duì)玻璃蓋板的腐蝕，或者清潔不當(dāng)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(yáng)能板發(fā)電量減少。

2.1.2 蓄電池運(yùn)行情況不佳

（1）部分井站太陽(yáng)能蓄電池防水箱內(nèi)部存在進(jìn)水現(xiàn)象，蓄電池浸泡在水中，使蓄電池出現(xiàn)絕緣層破裂現(xiàn)象，太陽(yáng)能蓄電池壽命嚴(yán)重縮短更是影響到了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

（2）太陽(yáng)能板發(fā)電量初始設(shè)計(jì)偏小，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)充電電流偏小，每天的充放電基本相當(dāng)或者放電流量遠(yuǎn)大于充電流量，長(zhǎng)期運(yùn)行后使蓄電池組虧電現(xiàn)象嚴(yán)重。

2.1.3 安裝建設(shè)時(shí)位置不佳

部分井站的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)在最初安裝建設(shè)時(shí)沒(méi)有充分考慮采光環(huán)境（未考慮朝向、山林樹(shù)木遮擋等），沒(méi)有最大程度優(yōu)化建設(shè)位置。

2.2 優(yōu)化方式

為進(jìn)一步滿足無(wú)人值守井站（閥室）的配電需求，結(jié)合太陽(yáng)能供電系統(tǒng)發(fā)電量不足原因分析，可以從太陽(yáng)能光伏板、蓄電池、安裝方式等方面對(duì)已建成的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.1 太陽(yáng)能光伏板

構(gòu)成太陽(yáng)能光伏板的電池可由不同光伏材料制成。當(dāng)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(yáng)能板的光電轉(zhuǎn)換效率較高為15%~24%；多晶硅太陽(yáng)能板的光電轉(zhuǎn)換效率只有12%~15%，但造價(jià)低。綜合考量，優(yōu)化改造宜選用單晶硅太陽(yáng)能板。同時(shí)為了避免太陽(yáng)能板在長(zhǎng)時(shí)間使用后表面積灰嚴(yán)重、發(fā)電量下降，建議對(duì)太陽(yáng)能板表面進(jìn)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(dá)到疏水疏油效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)清潔”功能。光伏板在自然吸塵情況下每延長(zhǎng)一個(gè)月，發(fā)電效率下降10%；增涂AS疏油疏水涂層的太陽(yáng)能光伏板，塵埃附著率降低50%，因而太陽(yáng)能光伏板每個(gè)月的發(fā)電效率增加5%以上，安裝效果見(jiàn)圖2。

圖2 太陽(yáng)能光伏組件安裝效果

2.2.2 蓄電池

以延長(zhǎng)蓄電池使用壽命為出發(fā)點(diǎn)優(yōu)化蓄電池組安裝方式、優(yōu)選充放電控制器的控制技術(shù)。目前油氣礦所轄太陽(yáng)能供電場(chǎng)站均使用鉛酸蓄電池組，蓄電池的容量與溫度成正相關(guān)，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(yán)重缺電情況下抗硫化性能明顯，嚴(yán)重放電情況下恢復(fù)能力強(qiáng)，工作溫度范圍比鉛酸蓄電池更寬的特點(diǎn)，更適合油氣礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用。

2.2.3 安裝方式

在保證發(fā)電量的前提下把太陽(yáng)能板安裝桿高度由3~5米減低為1.7米，便于針對(duì)頑固污漬進(jìn)行人工清潔并徹底消除高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

3 優(yōu)化實(shí)例

3.1 太陽(yáng)能光伏板、蓄電池優(yōu)化實(shí)例

XX井信息化建設(shè)時(shí)設(shè)計(jì)功耗11 W，太陽(yáng)能供電配置為3塊180 Wp太陽(yáng)能板，4塊12 V，200 Ah蓄電池，目前現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)際使用功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)時(shí)功耗。

3.1.1 優(yōu)化內(nèi)容

（1）增加一塊太陽(yáng)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(fēng)雨達(dá)到自動(dòng)清潔目的，進(jìn)一步提高太陽(yáng)能利用效率；

（2）將舊的太陽(yáng)能蓄電池由地下電池井取出（原設(shè)計(jì)蓄電池組為地下磚砌井安裝，井內(nèi)防水及排水困難，造成部分井內(nèi)積水嚴(yán)重，對(duì)蓄電池的正常運(yùn)行及使用壽命造成嚴(yán)重影響），澆注200 mm厚混凝土墊層，安裝預(yù)制不銹鋼箱體，放入新的同型號(hào)電池，對(duì)太陽(yáng)能供電裝置進(jìn)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(yáng)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(hù)，避免因立桿安裝，光伏組件互相遮擋導(dǎo)致采光面積減小形成電阻影響正常充電，進(jìn)一步保證了每塊光伏板有足夠的日照充電時(shí)間。優(yōu)化前后狀況詳見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 優(yōu)化前狀況

圖4 優(yōu)化后狀況

3.1.2 優(yōu)化效果

（1）太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能時(shí)，新增1塊太陽(yáng)能光伏板后光照強(qiáng)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(tǒng)太陽(yáng)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(duì)延長(zhǎng)蓄電池使用壽命有積極意義。

（2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在蓄電池充滿電的情況下老舊電池滿載電壓和放電時(shí)間都偏低，井站用電負(fù)荷越高此現(xiàn)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(xù)放電時(shí)間也顯著增長(zhǎng)，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(yáng)能供電系統(tǒng)蓄電池持續(xù)放電的能力。

3.2 12V供電＋24V供電優(yōu)化實(shí)例

前期優(yōu)化主要是增加光伏板數(shù)量或?qū)π铍姵剡M(jìn)行更新，但所增加的太陽(yáng)能光伏板數(shù)量不夠、光伏板容量不足；更換新蓄電池，長(zhǎng)期充電不充分使得新電池放完最初的滿電后會(huì)出現(xiàn)虧電現(xiàn)象，蓄電池儲(chǔ)能不充分的狀況沒(méi)有根本性改變，斷電問(wèn)題依然存在，且現(xiàn)有太陽(yáng)能供電系統(tǒng)輸出電壓為24 V，通過(guò)電源轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為一路12 V輸出電源和一路24 V輸出電源進(jìn)行供電。電源轉(zhuǎn)換模塊本身存在功率消耗，同時(shí)被動(dòng)入侵探測(cè)器等12 V安防用電設(shè)備為觸發(fā)供電，啟動(dòng)瞬間功率較大，導(dǎo)致安防設(shè)備頻繁啟動(dòng)報(bào)警，誤報(bào)警現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，影響整個(gè)系統(tǒng)用電功耗。通過(guò)分析得出，光伏板發(fā)電量偏少和安防用電設(shè)備的觸發(fā)供電是太陽(yáng)能供電系統(tǒng)供電不足的主要原因，因此決定采用分系統(tǒng)供電，將整個(gè)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)優(yōu)化為12 V供電、24 V供電兩個(gè)系統(tǒng)，負(fù)載也為對(duì)應(yīng)的12 V、24 V用電設(shè)備，用2個(gè)控制器對(duì)電池組進(jìn)行充放電，用一個(gè)控制器放電防止雙控制器放電干擾，最大程度避免兩類(lèi)用電設(shè)備的功耗干擾，確保對(duì)24 V數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備的持續(xù)供電，保障數(shù)據(jù)采集上線率。結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。

圖5 改造結(jié)構(gòu)原理

優(yōu)化井站原有3塊180 Wp太陽(yáng)能電池板，12 V，200 Ah蓄電池4塊。

對(duì)于12 V供電系統(tǒng)新增4塊12 V，135 Wp太陽(yáng)能電池板并聯(lián)，新增2塊12 V，200 Ah膠體鉛酸蓄電池，形成12 V，400 Ah系統(tǒng)儲(chǔ)能。計(jì)算后理論狀態(tài)能保證整個(gè)系統(tǒng)7天的供電，系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 0.54 kW離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

對(duì)于24 V供電系統(tǒng)新增2塊24 V，265 Wp太陽(yáng)能電池板與原有太陽(yáng)能電池板并聯(lián)，將原有的4塊蓄電池更換為同規(guī)格膠體鉛酸蓄電池，仍然形成 24 V，400 Ah系統(tǒng)儲(chǔ)能，理論能保證整個(gè)系統(tǒng)17天的供電，系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格見(jiàn)表2。

表2 1.07 kW離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

為進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化效果，對(duì)試驗(yàn)井站設(shè)備在線率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：試驗(yàn)井站連續(xù)陰雨天氣設(shè)備在線率由原來(lái)的43%上升至91%，詳見(jiàn)圖6；冬季夜間設(shè)備在線率也有較大提升，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，具體見(jiàn)圖7。

圖6 試驗(yàn)井站連續(xù)陰雨天氣設(shè)備在線率

圖7 試驗(yàn)井站冬季夜間設(shè)備在線率

4 結(jié)語(yǔ)

發(fā)展清潔、綠色、環(huán)保可再生能源是社會(huì)發(fā)展的大趨勢(shì)。油氣開(kāi)發(fā)屬于高能耗行業(yè)，開(kāi)發(fā)利用可再生新能源，既是企業(yè)自身發(fā)展的客觀要求，也是一種社會(huì)責(zé)任。近年來(lái)川中油氣礦一直致力于低碳發(fā)展，將太陽(yáng)能供電系統(tǒng)運(yùn)用于井站生產(chǎn)中，針對(duì)實(shí)際運(yùn)用中存在的不足現(xiàn)象，將持續(xù)進(jìn)行多方面調(diào)研，制定合適的優(yōu)化措施并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、效果評(píng)價(jià)，持續(xù)提升太陽(yáng)能供電系統(tǒng)適用性。