井站太阳能供电系统现状及优化措施

李静

（中国石油西南油气田公司，四川遂宁 629000）

1 太阳能光伏发电在井站的实际应用

川中油气矿所辖区域多以耕地和草地为主，高大遮挡物较少，地势较为平坦，具有良好的光伏发电建设条件。油气矿于2011年开始数字化气田建设，通过SCADA系统工程、生产信息化工程等举措大力实施气田信息建设和改造，基本建成了矿区生产信息化系统的整体架构。目前已建成了信息化生产场站400余座，信息化生产场站设备的供电方式主要有电网供电＋UPS电源和太阳能供电；其中太阳能供电场站共51座，主要用于地处偏远、电网接入困难且场站负荷较低的无人值守井站 （阀室），详见图1。

图1 井站太阳能供电系统现场示意

为使太阳能供电系统提供稳定、可靠的电源，设计时应根据太阳能辐射量、用电负荷特性、负荷容量等进行计算，最终对供电系统主要设备做出经济合理的选择。在川中地区，太阳能供电系统井站建设时考虑功耗为11 W，相应配置为3块180 Wp 太阳能板，4块12 V，200 Ah蓄电池。

2 现场实际应用存在问题及优化方式

2.1 存在问题及原因分析

由于太阳能供电系统的能量易得、安全可靠、无噪声、无污染等特点，在川中油气矿无人值守井站（阀室）得到广泛应用。但根据近几年现场实际运行情况来看，天气、日照时间等因素对太阳能供电系统的正常使用有一定影响，在进入冬季或连续阴雨天气时（阴雨天气可能持续1个月甚至更久），太阳能供电系统发电量不足，无法保证井站正常生产工作。经初步分析主要存在以下原因。

2.1.1 太阳能设备发电量不足

（1）由于川渝地区日照时间短且多云多雾，到达地面的太阳光以散射光居多，导致普通的太阳能供电系统发电量不够，且部分井站还存在实际设备负荷高于初始设计负荷现象，使得发电量不足现象愈发严重。

（2）太阳能板位于野外且高空安装，无人进行经常性维护，太阳能板表面钢化玻璃上积累大量灰尘使得玻璃盖板透射性减弱，到达光伏电池表面上的光强和光电效应减弱，光伏发电量减少。从玻璃盖板整体来看，由于酸性或碱性灰尘对玻璃盖板的腐蚀，或者清洁不当造成玻璃盖板表面粗糙度增加，反射光能量增大，折射光能量减少，使得太阳能板发电量减少。

2.1.2 蓄电池运行情况不佳

（1）部分井站太阳能蓄电池防水箱内部存在进水现象，蓄电池浸泡在水中，使蓄电池出现绝缘层破裂现象，太阳能蓄电池寿命严重缩短更是影响到了整个系统的运行。

（2）太阳能板发电量初始设计偏小，导致现场充电电流偏小，每天的充放电基本相当或者放电流量远大于充电流量，长期运行后使蓄电池组亏电现象严重。

2.1.3 安装建设时位置不佳

部分井站的太阳能供电系统在最初安装建设时没有充分考虑采光环境（未考虑朝向、山林树木遮挡等），没有最大程度优化建设位置。

2.2 优化方式

为进一步满足无人值守井站（阀室）的配电需求，结合太阳能供电系统发电量不足原因分析，可以从太阳能光伏板、蓄电池、安装方式等方面对已建成的太阳能供电系统进行优化。

2.2.1 太阳能光伏板

构成太阳能光伏板的电池可由不同光伏材料制成。当前最主要的光伏材料是晶体硅材料，包括多晶硅和单晶硅。其中单晶硅太阳能板的光电转换效率较高为15%~24%；多晶硅太阳能板的光电转换效率只有12%~15%，但造价低。综合考量，优化改造宜选用单晶硅太阳能板。同时为了避免太阳能板在长时间使用后表面积灰严重、发电量下降，建议对太阳能板表面进行处理，在不影响光通量的情况下，模仿荷叶表面在钢化玻璃上涂上一层高透度AS疏油疏水涂层，使其油水表面张力大小为：水＞油~荷叶膜，达到疏水疏油效果，进而实现“自动清洁”功能。光伏板在自然吸尘情况下每延长一个月，发电效率下降10%；增涂AS疏油疏水涂层的太阳能光伏板，尘埃附着率降低50%，因而太阳能光伏板每个月的发电效率增加5%以上，安装效果见图2。

图2 太阳能光伏组件安装效果

2.2.2 蓄电池

以延长蓄电池使用寿命为出发点优化蓄电池组安装方式、优选充放电控制器的控制技术。目前油气矿所辖太阳能供电场站均使用铅酸蓄电池组，蓄电池的容量与温度成正相关，温度每上升1度容量上升0.8%。高于40度的情况下每升高10度，电池寿命降低一半。而胶体铅酸蓄电池具有在严重缺电情况下抗硫化性能明显，严重放电情况下恢复能力强，工作温度范围比铅酸蓄电池更宽的特点，更适合油气矿现场实际使用。

2.2.3 安装方式

在保证发电量的前提下把太阳能板安装杆高度由3~5米减低为1.7米，便于针对顽固污渍进行人工清洁并彻底消除高空作业风险。

3 优化实例

3.1 太阳能光伏板、蓄电池优化实例

XX井信息化建设时设计功耗11 W，太阳能供电配置为3块180 Wp太阳能板，4块12 V，200 Ah蓄电池，目前现场设备实际使用功耗远远高于设计时功耗。

3.1.1 优化内容

（1）增加一块太阳能光伏板，在光伏板增加一层高透度AS疏油疏水涂层，以便利用自然界风雨达到自动清洁目的，进一步提高太阳能利用效率；

（2）将旧的太阳能蓄电池由地下电池井取出（原设计蓄电池组为地下砖砌井安装，井内防水及排水困难，造成部分井内积水严重，对蓄电池的正常运行及使用寿命造成严重影响），浇注200 mm厚混凝土垫层，安装预制不锈钢箱体，放入新的同型号电池，对太阳能供电装置进行重新接线，在确保线路连接正确后盖不锈钢盖板。

（3）将原有太阳能光伏组件立杆安装改为地面支架平铺安装，此做法方便安装及清洁维护，避免因立杆安装，光伏组件互相遮挡导致采光面积减小形成电阻影响正常充电，进一步保证了每块光伏板有足够的日照充电时间。优化前后状况详见图3、图4。

图3 优化前状况

图4 优化后状况

3.1.2 优化效果

（1）太阳能转化为电能时，新增1块太阳能光伏板后光照强度相同情况下（即采集电压相同）采集电流得到显著提升，提高系统太阳能采集效率，不锈钢电池箱有效解决了蓄电池遭水侵影响，对延长蓄电池使用寿命有积极意义。

（2）通过现场测试发现，在蓄电池充满电的情况下老旧电池满载电压和放电时间都偏低，井站用电负荷越高此现象越明显。在更换新蓄电池后，电池电压由之前的26.21 V提高到了27.79 V；持续放电时间也显著增长，由换之前放电一晚电池容量只剩25%左右提高到剩80%左右，起到了提高太阳能供电系统蓄电池持续放电的能力。

3.2 12V供电＋24V供电优化实例

前期优化主要是增加光伏板数量或对蓄电池进行更新，但所增加的太阳能光伏板数量不够、光伏板容量不足；更换新蓄电池，长期充电不充分使得新电池放完最初的满电后会出现亏电现象，蓄电池储能不充分的状况没有根本性改变，断电问题依然存在，且现有太阳能供电系统输出电压为24 V，通过电源转换模块转换为一路12 V输出电源和一路24 V输出电源进行供电。电源转换模块本身存在功率消耗，同时被动入侵探测器等12 V安防用电设备为触发供电，启动瞬间功率较大，导致安防设备频繁启动报警，误报警现象经常发生，影响整个系统用电功耗。通过分析得出，光伏板发电量偏少和安防用电设备的触发供电是太阳能供电系统供电不足的主要原因，因此决定采用分系统供电，将整个太阳能供电系统优化为12 V供电、24 V供电两个系统，负载也为对应的12 V、24 V用电设备，用2个控制器对电池组进行充放电，用一个控制器放电防止双控制器放电干扰，最大程度避免两类用电设备的功耗干扰，确保对24 V数据采集控制设备的持续供电，保障数据采集上线率。结构原理如图5所示。

图5 改造结构原理

优化井站原有3块180 Wp太阳能电池板，12 V，200 Ah蓄电池4块。

对于12 V供电系统新增4块12 V，135 Wp太阳能电池板并联，新增2块12 V，200 Ah胶体铅酸蓄电池，形成12 V，400 Ah系统储能。计算后理论状态能保证整个系统7天的供电，系统技术规格见表1。

表1 0.54 kW离网光伏发电系统

对于24 V供电系统新增2块24 V，265 Wp太阳能电池板与原有太阳能电池板并联，将原有的4块蓄电池更换为同规格胶体铅酸蓄电池，仍然形成 24 V，400 Ah系统储能，理论能保证整个系统17天的供电，系统技术规格见表2。

表2 1.07 kW离网光伏发电系统

为进一步验证优化效果，对试验井站设备在线率进行统计：试验井站连续阴雨天气设备在线率由原来的43%上升至91%，详见图6；冬季夜间设备在线率也有较大提升，实现了太阳能供电系统的平稳运行，具体见图7。

图6 试验井站连续阴雨天气设备在线率

图7 试验井站冬季夜间设备在线率

4 结语

发展清洁、绿色、环保可再生能源是社会发展的大趋势。油气开发属于高能耗行业，开发利用可再生新能源，既是企业自身发展的客观要求，也是一种社会责任。近年来川中油气矿一直致力于低碳发展，将太阳能供电系统运用于井站生产中，针对实际运用中存在的不足现象，将持续进行多方面调研，制定合适的优化措施并进行现场试验、效果评价，持续提升太阳能供电系统适用性。