油田办公楼应用光伏发电的可行性探讨

姜忠凯

（大庆油田第七采油厂数字化运维中心，黑龙江 大庆 163517）

在国家“碳中和、碳达峰”的政策下，发展绿色清洁能源是实现目标的重要抓手，太阳能凭借着绿色环保、日趋成熟的技术水平、安全、长寿命和取之不尽用之不竭等优势得到越来越广泛的应用，成为能源替代的主力军。而油田也有着节能减排、提质增效的目标要求，因此太阳能光伏发电可以为油田实现高质量发展提供重要保障。

1 光伏发电系统简介

太阳能发电指的是无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电方式，包括光伏发电、光化学发单、光感应发电和光生物发电。通常来说，太阳能发电指的是太阳能光伏发电，简称“光电”。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。该发电技术无枯竭危险、无公害、不受资源分布地域的限制、建设周期短、维护简单、可靠性高应用范围广等诸多优点。太阳能供电系统按供电类型分为直流供电系统、交直流供电系统；按照供电特点分为独立光伏发电系统（也叫离网光伏发电系统）和并网光伏发电系统。

1.1 独立光伏发电系统

独立光伏发电系统是指仅仅依靠太阳能电池供电的光伏发电系统或者主要依靠太阳能电池供电的光伏发电系统，采用自发自用模式。该系统由太阳能电池、充放电控制器、蓄电池、逆变器以及负载（直流负载、交流负载）组成。该系统由于负载只有太阳能光伏系统供电，所以系统的输出稳定性会受到诸如日照和温度等气象条件的影响，因此需要使用蓄电池来调节，但蓄电池在充放电时会出现损失且维护检修成本高，因此独立光伏发电系统一般容量较小。主要用于小容量的用户、远离电网的边远地区、不采用电气配线施工的地区、夜间和降水时不需要电网供电的地点以及特殊领域的供电。独立光伏发电系统图如图1。

图1 独立光伏发电系统

1.2 并网光伏发电系统

并网光伏发电系统可以将太阳能电池阵列输出的直流电转化为与电网电压同幅、同频、同相的交流电，并实现与电网连接并向电网输送电能。该系统主要由太阳能电池、汇流箱、控制器、逆变器、负载等控制系统与设备组成，还可以根据实际项目需求，设置蓄电池、供电系统监控装置和环境监测装置。并网光伏发电系统的运行模式是太阳能电池板将光能转换成电能，经汇流箱汇集后，通过并网逆变器转换成交流电为建筑自身设备供电，多余或不足的电力通过电网来调节输出或者供给。并网光伏发电系统示意图如图2。

图2 并网光伏发电系统示意图

如果根据并网光伏系统的应用形式，应用规模及负载的类型，可以再进行比较细致的划分，具体为如下：有逆潮流并网系统；无逆潮流并网系统；切换式并网系统；直、交流并网型光伏系统；并网混合系统。并网光伏发电系统分类对比如表1。

表1 并网光伏发电系统分类对比

光伏发电系统受日照等气象因素影响较大，如果加装蓄电池组可以有效提高并网系统输出的稳定性。通过对比可以看出，在现有的技术条件下：

（1）并网混合系统功能最强、可用面最广、结构最复杂，但成本最高。

（2）有逆潮流并网系统和无逆潮流并网系统的稳定性最差。

（3）切换式并网系统整体性能则居于中间，性价比最高。

综合来看，如果是用电时间集中在白天的用户，采用切换式并网系统更经济合适。

2 可行性分析

2.1 设计原则

设计光伏发电系统必须考虑诸多因素，通过多方面调查了解，根据建筑物的形状、结构、屋顶结构和当地气象条件及方位，来选定太阳能电池阵列的设置场所，然后确定电气方式、负载类型、负载容量和系统配件的安装场所，以此决定系统的形式、构成，通过用电量计算太阳能电池的阵列容量和发电量，解决太阳能电池的方位角、倾斜角、可设置的面积、台架形式以及布置方式等。一般而言太阳能电池是整套系统的核心部件。太阳能电池组件设计的一个主要原则就是要满足平均天气条件下负载的每日用电需求。因为天气条件有低于和高于平均值的情况，所以要保证太阳能电池组件和蓄电池在天气条件有别于平均值的情况下协调工作。目前太阳能电池板主要有以下几种类型：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池(含薄膜太阳能电池）、多元化合物太阳能电池等。按照当前技术水平，太阳能电池的使用寿命一般在25～30年。

2.2 举例分析

采油七厂地处东北，太阳能电池板在每平方米一年内接收太阳辐射总量为4190～5016MJ，年日照有效时数为1329.29h，最佳安装角度为41°，经查询大庆峰值日照（见表2），取平均日照峰值4.16kWh/m2。

表2 大庆市光照峰值日照时数表（单位：kWh/m2/day）

以采油七厂计量仪表室办公楼楼为例进行分析。该楼用电主要集中在白天，办公用电中照明灯具、空调、计算机、打印机以及办公室内小型电器等设备的功率并不是重负荷，不是需要24h稳定运行的生产单元，属于三级配电负荷。该楼前、后两部分屋顶均无遮挡，总面积为932m2。计量仪表楼地理位置及面积图如图3。

图3 计量仪表楼地理位置及面积

楼内用电设备的全年总功率约为14750kW。可选用高性能单晶硅太阳能电池组件，以国产某品牌太阳能光伏板为例，其光电转换效率可达21.5%，规格为550WP，开路电压49.8V，工作温度为-40～85℃，组件尺寸为：2094×1038×35mm。

经过计算，该光伏发电系统满足年消费量时的必要的太阳能电池容量为20.261kW，需要安装单晶硅组件37片，每片的面积为2.2m2，总安装面积为82m2。因安装占地面积远小于屋顶面积，光伏电池板可以安装在后楼屋顶，因东北冬季低温寒冷，为了保障设备的使用寿命，可将光伏逆变器和蓄电池组置于楼内。

如果以网上查询的设备价格为参考，整套设备成本预估为16万元。按照目前国家电网的价格：低压0.7165元/千瓦时（含税13%）来计算，预计15.74年可收回成本。如果大规模安装采购，成本可以降低，成本回收周期也可以缩短。

综合考虑光伏发电系统的稳定性与性价比，计量仪表楼可以使用切换式并网系统。

3 结语

太阳能光伏发电系统目前的技术是比较成熟的，可以根据不同负载需求选择独立或者并网光伏发电系统。

不同的光伏发电系统特点不同，根据目前的技术水平，并网混合系统功能最强，稳定性最好，但复杂程度也最高，成本最高；切换式并网系统价格较低，性价比较高。计量仪表楼用电负荷有限，并且用电时间主要集中在白天，综合考虑，安装切换式并网发电系统更适合。以采油七厂计量仪表楼为例进行多角度分析可以得出，完全可以在光伏设备使用周期内收回成本，随着技术的进步，光伏发电系统的总成本和成本回收周期会进一步下降。