太阳能光伏发电系统在油田设计中的应用策略

陈健

（大庆油田装备制造集团吉林分公司，黑龙江 大庆 163000）

太阳能光伏发电系统在应用过程中具有独特优势，包括这一技术在应用过程中不需要燃烧燃料，而且有无限的能源。清洁能源在应用过程中不会排放二氧化碳等有害物质，既不会消耗大量能源，也不会对生态环境造成污染，提高油田系统的安全性和可靠性。而且在实际应用过程中没有较为烦琐的操作，系统维护工作也相对简单。将光伏发电系统和石油行业相结合，二者之间能够相互支撑，也能够优势互补，以此促进石油行业的进一步发展。

1 太阳能光伏发电系统的原理

太阳能光伏发电系统主要原理是光生伏特效应，通过应用太阳能电池，能够实现太阳能和电能之间的转化，形成完善的发电系统。白天太阳能电池对太阳辐射光线进行吸收，半导体中能够产生电极相反的电子，半导体所产生的静电离子能够对载流子进行分离，同时被光伏电池的负极和正极所吸收，在外电路中产生电流，形成电能。太阳能电池中主要可以分为两部分，其中一部分为蓄电池组充电，另一部分为负载供电。通过蓄电池对电能进行储存，在阴雨天气和夜晚，光伏电池组件无法对太阳能进行吸收时，就会将储存电能进行有效适当，以此尽可能地满足供电需求。

2 太阳能光伏发电系统的分类

可以将太阳能光伏发电系统分为并网光伏发电系统、独立光伏发电系统和混合光伏发电系统。

（1）独立光伏发电系统。在独立光伏发电系统中，主要包括蓄电池、电池阵列和控制器等多个组成部分。如果阳光充足的情况下太阳能电池阵列，能够实现负载供电，同时也能够给蓄电池组充电，在夜晚或者需要应用时，主要通过蓄电池放电功能为负载所需电能。太阳能电池在阵列工作中，需要对结构进行适当调整，将逆变器应用其中，对直流电与交流电的转换的方法为交流荷载提供所需电能。图1 为独立光伏发电系统结构。

图1 独立光伏发电系统结构

（2）并网光伏发电系统。在并网光伏发电系统中，主要包括并网逆变器和太阳能电池阵列。应用并网逆变器将太阳能组件所产生的直流电进行转换，使其符合当前电网要求，同时进入公共电网中。逆变器在其中有着极其重要的作用，能够提高交流输出质量，也能够对电路进行优化，从而更好地满足国家电能要求。

（3）混合光伏发电系统。这一系统在应用过程中除了对太阳能电池阵列进行应用外，还需要对其他技术的优点，进行综合应用和分析，提高系统的抗阴天能力，使供电系统的持续性和可靠性得到提升。风光互补供电系统中，主要包括风力发电机、太阳能电池、蓄电池、风能控制器等。对风力资源进行合理应用，提高风力发电机发电过程中，所以需要对能源顺序进行设置，优先使用太阳能和风能，在必要时才能应用蓄电池，通过这种方法能够有效延长蓄电池的使用寿命，大幅度降低了蓄电池的维修和维护成本。光油互补供电系统中，主要包括太阳能控制器、太阳能电池阵列、蓄电池和低压致自启动柴油发电机等，可以将柴油发电机作为备用电源。在有光的情况下，通过太阳能光伏发电系统可以实现有效供电，在夜间，蓄电池呈现出负载状态，柴油发电机在蓄电池电压较低的过程中，通过自动启动和为蓄电池和负载提供电池，以此来度过系统的困难时期。市电互补光伏供电系统中，主要包括太阳能控制器、太阳能电池阵列、蓄电池组和双向逆变器。在阳光充足的过程，能够通过太阳能光伏系统进行供电。夜间市电为负载供电，能够有效提高供电的安全性和可靠性，以此来减少供电的工作时间。

3 太阳能光伏发电系统在油田设计原则和步骤

3.1 原则

光伏发电系统的设计原则是在保障负载用电需求的情况下，明确太阳能电池最少组件和最小电池容量，尽可能地减少投资，同时，对可靠性和经济性进行充分考虑。

3.2 步骤

在设计步骤中，需要对光伏发电系统进行合理选择，主要根据油田的特点和长输管线的距离对光伏发电系统进行选择。

根据厂家所反馈的数据对设备的负荷性质进行明确，通常为照明供电、RTU，并对负载工具进行拟定，具体要求在220VAC 太阳能系统输出电压等级，同时连续三天阴雨天气的情况下也能够维持正常运行。在对控制器进行选择时，需要对太阳能板的充电电流进行计算，并选择合适的控制器，这一具有防过敏、防反接和防过充保护功能，通过对控制器的合理应用能够加强对太阳半输出功率的控制。系统控制器在应在日照充足的条件下进行工作，通过太阳能板对蓄电池供电和系统负载进行计算，阴雨天或者夜间情况下，如果太阳能无法提供充足的电能，就能够实现蓄电池供电。

4 太阳能光伏发电系统在油田设计中的应用

目前，光伏太阳能技术逐渐被广泛应用于油田行业中。近年，油田逐渐在输油管道加热、油气管道阀室电源、上海平台照明、油气管道自控测控系统、边远井供电系统等诸多方面对太阳能光伏技术进行应用。

4.1 油气管道阀室电网

通常在偏远地区应用油气管道阀室，所以在实际应用过程中，所获得的电源不够稳定。油田设计过程中主要将光伏太阳能技术为油气管道阀室提供有效系统供电，不仅可以尽可能使电力铺设成本降低，也能够使电力的可行性显著提升。在川气东送项目中，对光伏供电系统进行有效应用，而且在锦州油气管道项目中，也能够为油气管道阀室有效供电。

4.2 油气设施阴极保护电源

电化学腐蚀能够对油气储存载体的使用寿命造成一定影响，目前通过应用阴极保护措施能够有效对油气管道电化学腐蚀和原油储罐中存在的问题进行有效解决。光伏太阳能电源系统在实际应用过程中不会受到空间的限制，能够提供更加稳定的电源。

4.3 油气管道自控自测系统

在石油开采过程中，大部分的设备都设置在野外或者海上，在维护和检修过程中，需要花费大量的人力和财力，石油和天然气最合理最经济的运输方式就是管道运输。石油和天然气在人们日常生活中，有着极其重要的作用和影响，而且具有易燃易爆的特点，所以需要保障油气管道的稳定运行。管道在长期使用以后，可能会存在外部腐蚀、外部干扰等多种情况，从而导致管道运输过程中出现泄漏，不然会危害生态环境，还可能会造成严重的火灾和爆炸事故。所以，需要采用多种有效措施对油气管道的运输情况进行实时监控，对油气管道和相关设备的运行情况进行定期检测和维护，以此来保障油气管道的安全运行，避免经济损失。将遥控系统和遥测系统应用于石油开采设备中，能够节省大量的物力和人力，有效提高生产效率。通过应用光伏太阳能系统，可以为远程操控设施提供稳定的电力。

4.4 LED 路灯绿色照明系统

LED 路灯主要应用的是太阳能电池板系统，不需要应用大量复杂的电缆和管线，而且具有环保功能和节能功能，使用寿命相对较长，属于一种新型的绿色照明系统。这一系统中，主要包括蓄电池、太阳能电池、LED 灯、充放电控制器、灯杆等。通过单片机的充放电控制电路能够对LED 路灯的工作状态进行有效转换和调节，也能够对LED 路灯的管理控制系统进行优化。在油田生产和开采过程中，LED 路灯是不可或缺的一部分内容，传统的照明系统通常应用的是高压钠灯，在应用过程中没有较强的照明效果，而且还会产生较大的能源浪费。所以将LED 路灯应用于油田工程中，能够实现新能源的开发和利用，对油田工程有着积极作用。

LED 路灯中最核心的部分就是太阳能电池板。太阳能电池板属于半导体器件，其中包含PN 结，通过应用光生伏特的原理，可以实现太阳能和电能的转换。LED属于一种新型环保节能型的半导体光源，也是路灯当中最理想的光源。将功率电子技术应用于LED 路灯当中，并加入驱动器，能够保障电源的稳定性。同时，在LED路灯中包含两种输出模式，分别为超级能脉冲宽度调变模式和高效率增强模式，将这两种模式根据时间的变化情况进行适当控制和调节，可以在需要的时间段对LED路灯的照明效果进行增强，提高照明质量，在一些不必要的时间段可以开启超节能模式，尽可能地节约电力，延长LED 路灯的工作时间。将LED 路灯照明系统应用于油田工程中，具有较强的可行性。建设资源节约型设备对于油田工程来说，是一项良好的举措。在大部分油田开采环境中，都具有较长的日照时间，能够为照明系统提供充足的太阳能资源。

4.5 边远油井供电系统

太阳能光伏发电系统在实际应用过程中，不仅能够实现对石油、天然气和煤炭能源的节约，还能够减少对环境的污染，属于一种新型的可再生能源，也是一项适合长期投入的产业。可以将光伏发电系统应用于边远油井供电系统中，能够实现太阳能光伏发电技术的充分应用，能够实现离网光伏发电系统和井网光伏发电系统，对油井的生产需求尽可能地满足。并网光伏电站中主要包括并网逆变器计量开关、电池板方阵，这一系统所输出的电力属于三相交流电，与电力网的品质相同。电站在应用过程中，可以实现油井值房和供油井抽油机的配套使用，如果发电量存在盈余，可以将其传输至电网当中。离网光伏发电系统中，主要包括太阳能离网逆变控制器、电池板方阵和蓄电池。在阳光充足的情况下，能够为蓄电池充电，在夜晚能够通过逆变器将蓄电池中的太阳能转化为电能，实现有效供电。

4.6 油井生产设备防盗报警系统

油田属于一种没有围墙的工厂，在油田开采和生产过程中，所有的设备都安置在野外，所以经常发生井口原油被盗或者控制箱和变压器的设备被偷的情况。所以可以将太阳能光伏发电系统应用其中，开发一种将太阳能作为主要动力的防盗报警装置。在这一装置中，主要应该包括防爆传感器、无线报警主机、太阳能电池板、防爆接线盒、智能控制器和太阳能专用蓄电池挡住的内容。在对报警装置进行选择时，应该采用全数码信息传输系统，实现无线转发报警信号和信号探测器的一体化。在所有的油井中，都需要设置防爆传感器，传感器在实际应用过程中，连接太阳能发射主机。如果进口原油和设备被盗，那么报警装置就会发出报警信号，同时通过无线发射的方法及时将信号传送到主机中，从而完成报警。

5 结语

总体而言，太阳能是我国一种新型能源，也是最大的绿色能源，对太阳能进行利用是我国能源变革中最重要的举措。太阳能的应用能够为我国社会创造良好的绿色低碳环境，树立节能减排形象。而且我国“十二五”计划针对光伏太阳能技术提出了明确的目标，并将这一目标作为未来的发展方向和研究方向，我国还给予了相应的政策支持。在油田发展过程中，应用太阳能光伏发电技术，能够使油田实现节能减排绿色发展。运用先进的光伏技术和系统集成经验，能够将新型可再生能源转化为先进生产力，能够推动经济效益的发展和社会教育的发展。