光伏发电系统在油田物联网中的应用

薛广民，赵世睿，马建华

（1.南方石油勘探开发有限责任公司，海口 570216；2.北京中油瑞飞信息技术有限责任公司，北京 102206）

0 引言

近年来，随着国家“节能减排”、“开发利用可再生能源”等号召的提出，以及一系列相关政策和法规出台，太阳能在国内得到了越来越广泛的应用。太阳能供电技术作为一种高新技术，最早应用于航空探险等高端应用场合，随着各国的积极推动，太阳能供电技术也得到了日新月异的发展，太阳能发电和太阳能供电技术日益走进民用的场合[1]。在油田建设中，主要采取电网供电和电池供电方式，电池供电往往只能解决临时的需要，适合功率负载小的设备单元，不能作为长期的供电电源；而采取电网供电方式存在诸多缺点：

1）供电方式为电缆输送，工程施工困难，造价高昂。

2）系统维护不便，高压输送存在安全隐患，运营成本高；安装、组网困难。

光伏发电系统是清洁、无污染的可再生能源，安装维护简单，使用寿命长，可以实现无人值守，是新能源的领头羊。最近几年，太阳能在油田应用越来越普遍，特别是在野外，太阳能电源系统正逐步取代一些传统的电源设备，成为野外供电系统首选。

太阳能供电系统由太阳能光伏组件构成的太阳能电池板、太阳能充电控制器、逆变器、蓄电池组构成。在晴朗的白天，太阳能电池板把太阳的光能转换为电能，给负载供电，同时对蓄电池组充电；在无光照时，太阳能发电不足，将由蓄电池组继续给负载供电[2]。

油田开发属于高能耗行业，开发利用可再生新能源、实施绿色低碳发展战略，既是企业自身发展的客观要求，也是更好地承担起油田企业节能减排的社会责任。本文以海南福山油田光伏发电系统应用方案为例，介绍太阳能在油气生产物联网建设中的应用。

图1 太阳能供电系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the solar power system

图2 无外电自喷井物联网架构图Fig.2 No foreign gusher of Internet architecture diagram

表1 单井场物联设备配置及设备功率表Table 1 Well site equipment configuration and equipment IOT power meter

1 光伏发电系统应用方案

1.1 应用现场环境

海南福山油田地处海南省西北部，属于热带海洋性季风气候。全年日照时间长，辐射能量大，年平均日照时数2000h以上，太阳辐射量可达11～12万卡，年平均气温23.8℃，最高平均气温28.6℃，最低平均气温17.7℃。为太阳能提供了良好的使用环境。福山油田物联网建设涵盖了数据采集子系统、数据传输子系统、生产管理子系统等3大系统。数据采集与传输子系统部署在井站前端野外环境，需要提供220V交流电源。对于偏远井站，目前电网未能及时覆盖。利用光伏太阳能供电构建的无线通信和视频监控系统优点如下：

1）采用太阳能独立供电，无线传输，彻底无线化。

2）组件灵活、小巧，方便安装与组网。

3）交直流供电方式，满足多种负载用电的需要。

4）安全性好，维护费用少，综合造价低。

综上所述，采用太阳能光伏发电系统可较好地解决偏远井站的电源供电问题。

1.2 供电需求分析

海南福山油田物联网建设涵盖了油田90%生产区域的油气井站及站场的物联网建设，涉及到单井油套压、油温、载荷、位移、电力量等生产数据的采集和井站无线网络通信的建设。针对偏远井站，采用了单套太阳能供电系统，给物联设备进行供电。单井场物联设备配置及设备功率见表1。

计算方法：

负载工作电压为220V交流，平均功率为100W，要求每天工作24h，最长连续阴雨天为3天，当碰到第一个连续阴雨天后，蓄电池放空。在每天正常使用前提下，用多余发电量补充至下一次充满的时间为3天，太阳能光伏组件采用Oasis高效率单晶硅。在海南采用35°斜面安装，年平均日接受日照时间为5.2h，按此计算光伏方阵功率及蓄电池容量。

1.3 蓄电池组容量的计算[3]

在同一年内的不同月份中，太阳能方阵发电量有很大差别。在发电量不能满足用电需要的月份，要靠蓄电池的电能给以补足；在发电量超过用电需要的月份，蓄电池可将多余的电能储存起来。综上所述，方阵发电量的不足和过剩值，是确定蓄电池容量的依据之一。同样，连续阴雨天期间的负载用电也必须由蓄电池供给。所以，连续阴雨天期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一。

蓄电池的容量BC计算公式为

蓄电池容量BC：

BC=A×QL×NL×To/DOD=1.1×100Ah×3d×1/0.75=440Ah

式中：A为安全系数，取1.1～1.4之间。

QL为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数。

NL为最长连续阴雨天数。

TO为温度修正系数，一般在0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下取1.2。

DOD为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.7～0.8，碱性镍镉蓄电池取0.85。

1.4 太阳能电池方阵设计

1）太阳能电池组件串联数NS

将太阳能电池组件按一定数目串联起来，就可获得所需要的工作电压，但是，太阳能电池组件的串联数必须适当，太阳能电池组件公称电压要与蓄电池组的公称电压相匹配。

计算方法如下：

NS=US/UM=24V/24V=2

式中：US为系统直流工作电压，UM为单块太阳能电池组件公称电压。

2）太阳能电池组件并联数NP

要计算出太阳能电池组件并联数NP，要按照以下步骤来计算。

①标准180Wp太阳能电池组件日发电量Qp

Qp=Ioc×H×CzAh(4)=5A×5.2h×0.9=23.4Ah

式中：Ioc为太阳能电池组件最佳工作电流。

H为太阳能平均日照小时数（5.2h）。

Cz为修正系数，主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失，一般取0.9。

②最长连续阴雨天之后至重新充满的间隔天数Nw，此数据为本设计之独特之处，主要考虑要在此段时间内将亏损的蓄电池电量补充起来，需补充的蓄电池容量Bcb为

Bcb=A×QL×NLAh=1×100Ah×3d=300Ah

③太阳能电池组件并联数Np的计算方法为

Np=（Bcb＋Nw×QL）/（Qp×Nw）=（300Ah+3d×100Ah）/(23.4×3d)=8.55

式中：Bcb为蓄电池在连续3天阴雨天后需补充的容量。

Nw为两组连续阴雨天之间的最短间隔天数，是蓄电池亏电后恢复时间，这里取3天。

QL为负载每天的耗电量。

QP为180W太阳能电池组件在海南地区每天发电量。

式中的表达意为：并联的太阳能电池组组数，在两组连续阴雨天之间的最短间隔天数内所发电量，不仅供负载使用，还需补足蓄电池在最长连续阴雨天内所亏损电量。

3）太阳能电池方阵的功率计算

根据太阳能电池组件的串并联数，即可得出所需太阳能电池方阵的功率P：

P=Po×Ns×Np

Wp=180W×1×8.55=1539Wp

式中：Po为太阳能电池组件的额定功率，这里是采用180Wp太阳能电池组件。

4）计算结果

计算结果：该负载需太阳能电池方阵功率为1539Wp以上，蓄电池容量为24V440Ah以上。

设备选定：最后考虑逆变效率94%，太阳能电池方阵功率选用1800Wp（180Wp×6块），蓄电池组采用2V、800Ah×24块串联。

2 结束语

太阳能光伏技术的开发和规模化应用，是油田节能减排规划的重要组成部分，也是油田实施绿色、低碳发展战略的重要内容之一。

本文介绍的光伏发电系统在福山油田的偏远井场取得了良好的实际应用效果，通过光伏发电系统可为无线通信设备和视频监控设备及数据采集RTU控制器供电。在福山油田偏远井场的建设中，该方案的实施有如下优势：

1）单井口数据采集设备可全部采用无线仪器仪表，因此物联网建设可以摆脱线缆的束缚，实现快速安装，具有施工时间短、投入低、效果好的优点。

2）采用光伏发电系统可以摆脱山地、森林、河流、开阔地等特殊地理环境的限制，无须考虑电源线及通信光缆的布线和施工问题。

3）缩短布线工程周期，降低施工成本。

未来，福山油田将与光伏太阳能技术相关企业合作，利用国内领先的光伏技术、生产工艺和系统集成经验，在油气田开发及油气管道工程中将可再生新能源科技成果转化为现实生产力，在共同合作研究开发应用的产业项目中获得良好的经济效益和社会效益。

[1]孟强.太阳能光伏发电技术现状及产业发展[J].安徽科技,2010,1.

[2]曹太强.光伏发电系统及其控制技术研究[D].成都:西南交通大学,2011.

[3]洪彬倬,聂一雄.太阳能发电技术综述[A].