张庆霞
中国石油集团电能有限公司供电公司
近年来我国实施了一系列政策和举措，进行了非化石能源替代化石能源、低碳能源替代高碳能源，新型燃料和工业原料替代石油、天然气的技术开发和应用[1]。“十四五”期间，中石油将启动新能源专项规划制定工作，积极推进化石能源与新能源全面融合发展的低碳能源生物圈建设，为打造有国际竞争力的综合性能源公司奠定坚实基础[2]。大庆地区光照充足，太阳能资源较为丰富。油田开发属于高能耗行业，开发利用太阳能资源、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[3]。大庆油田分布式光伏新能源系统按照建设规模及利用土地形式大致分为5 种类型：①利用废弃井场及井间土地建设固定式光伏发电系统；
②围墙光伏发电系统；
③屋面光伏发电系统；
④零散小负荷自立式光伏发电系统；
⑤利用井场空地建设橇装式光伏发电系统。
利用废弃井场及井间土地建设光伏电站模式与社会企业开发分布式或集中式电站建设模式基本相同，项目投资由光伏组件、支架、基础、场地处理、接入系统等几部分组成。其中光伏组件、支架部分社会企业开发已经有比较成熟的经验可供借鉴，接入系统部分需根据周边电力系统情况确定方案；
基础、场地处理在规范中要求较高，但实际各开发企业均根据自身实际情况进行一定简化以节省投资。由于油田的中区开发光伏发电采用的土地是位于井站之间，现行规范对安全距离及相互避让的方式没有统一规定，社会企业开发的光伏发电项目也没有经验可供借鉴。针对上述两个问题，在项目设计过程中与采油单位进行了沟通，并对社会企业开发的分布式项目现场进行了调研，总结出大庆油田的光伏发电设计方案。
1.1 地基及场地处理
土建桩基础以4 m 长管桩为主，场地条件较好时采用4 m 长管桩（桩基埋深不少小2.5 m，地面1.5 m）。基桩选用C60 预应力混凝土管桩PC300(70)B 型（直径300 mm，下同）[4-6]。地下水位较高的低洼地，可采用6 m 长管桩，埋深4～4.5 m，露出地面1.5～2 m。对于芦苇荡等比较严重的低洼地，可根据水深采用6 m 以上管桩，并适当增大桩基间距。光伏电站原则上不做竖向设计，大、中型电站可建设站内道路，小型电站暂时不建设站内道路，根据具体工程情况可与附近通井路相连修建进站路，施工原则上按照现有场地情况择机进行施工。
1.2 光伏组件与建、构筑物间距
光伏发电组件与建、构筑物的间距需综合考虑防火间距、作业间距及固定遮挡等因素[7]。
（1）光伏组件与工艺管线（包括地下管线）安全距离应满足：①施工作业（开挖）需避让工艺管线，组件基础与管线外壁间距按4 m 考虑；
②工艺管线外壁与光伏组件基础桩距离大于1.5 m；
③光伏组件接地装置距埋地管线大于5 m（管线采取故障屏蔽、接地、隔离防护等措施后，间距可适当减小）。
（2）如光伏组件倾倒会影响油田生产或造成重大危害，光伏组件与油井，阀组间及站场内外重要建、构筑物的安全距离为光伏组件高度的1.5 倍。
（3）经与运行单位沟通，已建油井作业面（单侧即可）为25 m，已建水井作业面（单侧即可）为18 m，规划油水井作业面为40 m。故光伏组件与已建油井间距大于25 m、距离已建水井间距大于18 m（单侧即可，另一侧满足防火间距），距离规划油水井大于40 m。
（4）光伏组件距离南侧杆状物体（主要指线路电杆）距离：原则上为春分、秋分阴影遮挡导致发电量损失应小于0.3%，夏至阴影遮挡导致发电量损失应小于8%，且全年遮挡不会引起光伏组件光斑效应。经PVsyst 软件仿真计算得出，光伏组件距离杆体间距宜大于1 倍杆高，最小间距不应小于40%杆高。
（5）光伏组件距离南侧固定遮挡物体距离：原则是冬至日当天早晨9:00～15:00（当地真太阳时）的时间段内，光伏阵列不应被遮挡，由公式（1）、图1 可知，大庆地区纬度范围内避让距离为4.5 倍遮挡物高度。
图1 光伏阵列遮挡计算Fig.1 Photovoltaic array shielding calculation
式中：L为阵列倾斜面长度，m；
D为两排阵列间距离，m；
β为阵列倾角，°；
φ为当地纬度，°；
α为太阳高度角，°。
利用油田站场围墙布置太阳能电池板，充分利用站场围墙空间，有效利用太阳能资源，接入站场0.4 kV 供电系统，就地消纳。
2.1 安装方案
南北侧围墙各立柱支架采用横向支架相连，在支架上密铺光伏组件；
东西侧每个围墙立柱上并列安装2 块光伏组件。光伏组件倾角42°，底部距地面1.8 m。通过4 支铝合金连接件与横向檩条连接；
横向檩条通过螺栓固定在斜梁上，斜梁通过螺栓及抱箍与围墙立柱卡紧。围墙光伏组件安装如图2、图3 所示。
图2 光伏板支架平面布置Fig.2 Plan layout of PV panel support
图3 光伏板支架立面布置Fig.3 Elevation layout of PV panel support
2.2 工程案例
以某配置站为例，利用站场围墙，设计围墙光伏发电系统。站内北面围墙可利用长度为180 m，南面围墙可利用长度为138 m，东西围墙可利用长度共204 m。围墙光伏发电系统组件总数为324片，总装机功率174.96 kWp。总造价79.76 万元，折合单位装机容量造价4 559 元/kWp。年发电量26.71×104kWh，折合单位装机容量的年发电量1 526.6 kWh[8]。
利用油田站场非爆炸危险性厂房朝阳屋面布置太阳能电池板，充分利用站场厂房屋面空间，有效利用太阳能资源，接入站场0.4kV 供电系统，就地消纳。
3.1 安装方案
屋面为坡面时，光伏组件平铺在朝南屋面。屋面结构主要分为2 种，一种是砌体钢屋架结构，屋面倾斜度1∶3，倾斜角度18.43°；
另一种是门刚结构，屋面倾斜度1∶10，倾斜角5.71°。每块光伏板由4 支铝合金连接件与U 型导轨相连；
光伏板下横向U 型导轨采用单面卷边槽钢；
横向U 型导轨与屋面冷弯薄壁Z 型附檩在屋面彩板波峰处通过自攻螺钉固定连接（图4）。
图4 屋面光伏组件导轨安装图Fig.4 Installation diagram of roof photovoltaic module guide rail
3.2 工程案例
（1）屋面为砌体钢屋架结构。站内南北向厂房建筑面积1 192.5 m2，屋面采用0.6 mm 厚彩色压型钢板，坡度1∶3。屋面面积约1 416.8 m2，其中南坡面积708.4 m2。屋面坡度18.43°。屋面光伏发电系统组件总数为192 片，总装机功率103.68 kWp。总造价41.76 万元，折合单位装机容量造价4 028 元/kWp。年发电量13.92×104kWh，折合单位装置容量的年发电量为1 342 kWh。若厂房朝向为东西方向，则折合单位装机容量的年发电量为1 118 kWh 。
（2）屋面为门钢结构。屋面面积与砌体钢屋架结构的面积相同，倾角为5.71°时，屋面光伏发电系统组件总数为192 片，总装机功率103.68 kWp。总造价41.80 万元，折合单位装机容量造价4 032元/kWp。年发电量12.52×104kWh，折合单位装机容量的年发电量1 207 kWh。若厂房朝向为东西方向，则折合单位装机容量的年发电量为1 133 kWh。
3.3 存在的问题
屋面安装光伏组件只能在注水、污水、聚合物等非防爆厂房的屋面安装，且北面屋面发电效率低，东西屋面发电效率较低。屋面光伏板冬季清雪较困难，可采用车载式升降机载人上屋面进行人工清扫。
油田零散小负荷光伏发电系统主要为中、大型站场内非防爆区域室外监控用摄像机，道路照明以及偏远位置的数字化水井供电。
4.1 工程方案
零散小负荷采用光伏储能供电方式，新建1 套自立式光伏储能装置。系统主要由太阳能电池板、智能充放电控制器、蓄电池三部分组成[9]，其安装示意图如图5 所示。太阳能电池板立杆安装，与摄像头、路灯共杆，朝向正南方向，倾角为42°。蓄电池装于电池箱内，电池箱埋至冻土层以下。
图5 零散小负荷采用光伏储能安装示意图Fig.5 Installation diagram of photovoltaic energy storage for scattered small loads
4.2 与常规供电方式对比分析
（1）投资效益对比。零散小负荷采用光伏储能供电方式与常规供电方式一次投资及效益对比见表1。室外摄像机和路灯采用光伏储能供电方式比采用常规供电方式投资少，且耗电方面也有较大节约，而数字化水井采用光伏储能供电方式投资费用有增加，节约电费也较少。
表1 油田零散小负荷单台供电系统一次投资对比Tab.1 Comparison of primary investment of single power supply system with scattered small loads in oilfield
（2）设备维护。常规配电方式电缆及架空线路在场区内敷设量大、距离长，当出现线路故障时极难查找故障点；
光储装置维护量较小，易查找故障点，施工时无需敷设电缆，减少施工开挖面积，施工方便。
站外油井井场主要分单井及平台井，随着井数增加，站地面积随着增加。经与总图专业落实，单井井场征地面积为30 m×40 m，施工结束后，井场垫土占地为7 m×15 m。可利用井场部分空地建设小型光伏电站，就近接入油井0.4 kV 供电系统，就地消纳[10]。
5.1 工程方案
在井场朝南方向设置“一”字形双面光伏板，采用橇装形式，8 个组件组成一个橇(单橇尺寸9.3 m×1.7 m×2.0 m)，整体橇可搬迁，为了防止牲畜破坏，井场周围设1.8 m 高刺丝网围栏（图6）。底座采用螺栓连接至桩基，连接法兰设置在地面下0.1 m 处，保障橇体临时拆卸后桩基不会被作业车辆碾压变形。橇座上设立柱支架，立柱之间采用横向支架相连，光伏板倾角42°（图7）。每个橇装安装组件总数为8 片，总功率4.32 kWp。每个井场安装组件总数为64 片，总装机功率34.56 kWp。年发电量5.27×104kWh，折合单位装机容量的年发电量1 524.9 kWh。
图6 井场光伏板布置图Fig.6 Layout of well pad photovoltaic panel
图7 橇装光伏电站安装示意图Fig.7 Installation diagram of skid-mounted photovoltaic power station
5.2 存在的问题及建议
橇座基础占地较大。光伏组件占空间较大，拉运困难。可将橇座、光伏组件及支架采用分体设计，便于运输。组装后，光伏组件与支架采用上下可旋转安装。如橇装光伏需移动位置，可只拆卸橇座，光伏组件与支架可折叠，方便运输及二次安装。新建井场进场路尽量布置在北侧区域。荒地井场尽量正南正北布置，对地形影响较大的井场布置时可根据土地情况尽量与南向偏移25°以内。
大庆油田光伏新能源按建设规模及利用土地的形式，制定了废弃井场及井间土地、站场围墙、厂房屋面和抽油机井场零散空地布局光伏发电系统的方案。废弃井场及井间土地可建设集中式光伏电站，光伏组件土建桩基础基桩选用C60 预应力混凝土管桩PC300(70)B 型基装，根据场地条件选择4～6 m 不同长度；
围墙光伏发电利用油田站场围墙布置太阳能电池板，将光伏组件倾斜42°角安装在围墙顶部，通过支架及檩条固定在围墙立柱上，光伏发电系统单位装机容量的年发电量可达1 526.6 kWh；
屋面光伏发电系统利用油田站场非爆炸危险性厂房朝阳屋面布置太阳能电池板，光伏组件平铺在屋面，倾斜角度与屋面坡度一致，光伏发电系统单位装机容量的年发电量可达1 133 kWh；
零散小负荷采用光伏储能供电方式，新建1 套自立式光伏储能装置；
井场小型光伏发电系统在井场朝南方向设置“一”字形双面光伏板，采用橇装形式，在修井作业时可整体橇进行搬迁，光伏单位装机容量的年发电量可达1 524.9 kWh。通过对光伏发电系统的5 种安装方案进行了技术探讨，分散式的小光伏发电效率达到了预期，可以作为适合大庆油田的光伏发电建设设计方案，明确了今后大庆油田光伏发电工程项目的设计路线。