光伏發電系統在沙漠公路防護林灌溉中的應用

何中凱 崔永峰 王沖 祝偉 王豐（塔里木油田分公司質量安全環保處）

低碳經濟、綠色發展是當前經濟社會發展的關鍵詞，節約能源、致力于可持續發展是中國石油的莊嚴承諾。近年來新能源和低碳環保技術的不斷創新和發展，為各油氣田企業實施節能技術改造提拱了可靠的技術保障。

塔里木沙漠公路兩側的防護林原來一直使用柴油機發電抽取地下水實施灌溉，每年消耗大量柴油并造成環境污染。充分利用南疆盆地豐富的太陽能資源，將太陽能光伏發電技術應用于沙漠公路防護林的綠化灌溉是研究新能源、新技術在塔里木油田的應用效果，增強自身可持續發展能力，踐行節約發展、清潔發展理念，建設國際一流綜合性大油氣田的需要。

1 沙漠公路防護林太陽能光伏發電灌溉研究背景

塔里木沙漠公路是世界上連續穿越流動沙漠最長的公路，工程于1995年建成，北起“西氣東輸”的起點輪南鎮，南至昆侖山下，全長552 km，是國家開發塔里木盆地油氣資源的重要物資運輸通道，也是帶動南疆地區經濟發展的大動脈。經過10多年的艱苦努力，科學家們攻克極度干旱條件下利用高礦化度地下水大規模植樹造林技術，2006年塔里木沙漠公路防護林生態工程全面建成。如今，伴隨蜿蜒起伏的塔里木沙漠公路，1條長436 km、寬72～78m的“綠色長廊”縱穿“死亡之海”，成為世界上流動性沙漠中最長的防護林帶，林帶總面積3 000 ha，種植沙拐棗、怪柳、梭梭等高抗逆性固沙植物約2 000萬株。這項國家重點工程堪稱人類征服自然、防沙治沙的又一偉大壯舉，塔里木沙漠公路防護林生態工程2008年榮獲第二屆“國家環境友好工程獎”，是建設項目環境保護的國家最高獎，是我國石油石化行業唯一獲此殊榮的建設項目。

為確保防護林的灌溉用水需求，沿線共設置綠化供水泵房130座，其中使用網電供水泵房33座，其余97座綠化泵房因無電網依托均采用柴油發電抽取地下水，柴油發電機組功率24 kW，全線水泵功率為7.5～13 kW不等。97座綠化站每年發電消耗柴油1 200 t，排放二氧化碳5 000 t。新疆是我國享受晴天最長的地方，年平均日照時間3 000 h，居全國之首，塔里木盆地充裕的太陽能和廣闊的空地資源，十分適宜建設光伏發電系統。為實現節能減排和低碳發展，塔里木油田公司在前期調研和技術論證基礎上，開展了建設太陽能光伏發電替代柴油發電的試驗工作。

2 沙漠公路防護林太陽能光伏發電系統介紹

防護林太陽能光伏發電系統由太陽能電池板（組件）、光伏控制器、逆變器、變頻器和蓄電池構成（圖1）。太陽能電池組經日光照射后，形成低壓直流電，電池組并聯后的直流電采用電纜送至匯流箱，經匯流箱匯流后采用電纜引至光伏控制器，由光伏控制器實現對蓄電池組的充放電控制，蓄電池組的直流電壓輸出至逆變器，逆變后的三相交流電經電纜引至變頻器，最后經變頻器啟動水泵完成抽水。其中正弦波逆變控制器為三相可偏載運行，其輸出可為生活用電設備如照明、電視、監控、采暖器等提供電源[1]。

太陽能電池板（組件）：電池板是太陽能發電系統中的核心部分，也是系統中價值最高的部分（圖2）。其作用是將太陽的輻射能轉換為電能。太陽能電池板的質量和成本直接決定整個系統的質量和成本。

太陽能光伏控制器：光伏控制器是用于太陽能發電系統中控制太陽能電池方陣對蓄電池充電以及蓄電池給太陽能逆變器負載供電的自動控制設備。光伏控制器對蓄電池起到過充電、過放電保護作用，其好壞決定太陽能系統的運行安全和使用壽命[2]。

逆變器：所選用的正弦波逆變電源克服了方波和模擬正弦波儀器的不足，其輸出完全可以和市電媲美，能夠提供高質量的交流電，效率高、噪音小，已成為市場中的主流產品。

蓄電池：其作用是將太陽能電池板所發出的電能儲存起來，需要時再釋放。防護林光伏發電系統采用的膠體蓄電池同普通鉛酸蓄電池相比，在安全性、蓄電量、放電性能和使用壽命等方面都優于普通鉛酸蓄電池（圖3）。

3 沙漠公路防護林太陽能光伏發電站的建設和實驗

3.1 6#、31#泵房太陽能光伏電站建設

塔里木油田公司于2010年選取沙漠公路防護林6#、31#兩座柴油發電泵站開展太陽能光伏電站的建設和實驗，2010年5月完工進入調試運行與試驗改進階段。6#井光伏電站光伏方陣初期功率為23.31 kW，光伏方陣采用自動追光技術，2010年9月加裝10 kW風能發電機開展風光互補試驗，經后期進一步擴容改造后光伏方陣功率提升至37.53 kW，電站拖動水泵額定功率為7.5 kW。31#井光伏電站光伏方陣初期功率為19.98 kW，經后期進一步擴容改造后光伏方陣功率提升至36.72 kW，電站拖動水泵額定功率為7.5 kW[3]。

3.2 6#、31#泵房太陽能光伏電站實驗

2010年5月至10月為項目試驗期（表1、圖4），試驗規定使用太陽能光伏發電日灌溉時數與使用柴油發電日灌溉時數相同，均為12 h，同時確保防護林長勢和成活率。初期由于對光伏發電設備的擴容、調試，替代率不高，隨著設備的不斷改進，2座太陽能光伏電站穩定性和可靠性逐步增強，從試驗期替代率數據分析，到2010年10月替代率已達88.52%、97.60%。

試驗期苗木成活率、長勢達到油田公司綠化主管部門驗收考核標準，試驗結果達到了預期目標，試驗取得成功證明在沙漠公路建設大功率太陽能光伏電站替代柴油機發電具有可行性，具備推廣價值，并從中得到以下認識：

◇在正常天氣條件下（無連續陰雨3天以上），光伏電站系統完全可以滿足每天12 h的灌溉時數以及管護人員生活用電需求。

表1 6#、31#太陽能光伏電站試驗期運行數據

◇在試驗的160天期間出現過連續陰雨3天以上的數量為2次，由于設計方案及設計容量原因，在第四天出現了用柴油機補充發電以滿足設定的12 h灌溉時數的情況。

◇由于沙漠公路自然環境惡劣，3—5月份沙塵天氣居多，造成追光儀頻繁損壞失效，實踐證明光伏電池追光技術不大適應盆地氣候條件。同時風能發電效果也不理想，風光互補模式同樣不太適合灌溉系統要求，要實現100%替代，還需對原設計路線進行優化。

4 沙漠公路防護林太陽能光伏發電灌溉推廣應用

在6#、31#太陽能光伏電站試驗取得成功的基礎上，2011年塔里木油田公司決定先行推廣建設太陽能光伏電站10座。新建的10個太陽能光伏電站對設計思路與技術路線進行了優化，光伏電站全部采用固定式光伏方陣設計模式；同時修正了6#及31#站技術路線的不足，進一步加大各站太陽能方陣規模，各站光伏方陣總功率均在35 kW以上。根據前期試驗結果取消了風力發電互補模式，2011年5月10座太陽能光伏電站全部建成，6月投入正常運行。截至2012年8月，12座泵房太陽能光伏電站已經歷了2年時間的運行，數據和實踐證明太陽能光伏發電完全滿足灌溉需求，苗木長勢旺盛，管理更為科學、便捷，依靠太陽能供電具有很高的可靠性，并獲得如下成果：

◇2011年6月至2012年8月太陽能發電對柴油機的替代率均為100%，12口井全部依靠太陽能發電灌溉，柴油機啟動時間為0 h；

◇2012年初對12口太陽能發電井安裝計量水表，驗證采水量效果，以要求的日供水量300m3為基準，全部井均超額完成考核目標，可以確保供水量充足（表2）；

◇苗木成活率、長勢等考核指標達到油田公司綠化主管部門考核、驗收標準；

◇在同時滿足上述考核指標的情況下，防護林灌溉周期、模式還具有可優化性，通過科學管理還能進一步確保太陽能供電的可靠。

表2 2012年3—8月12座太陽能光伏電站日均供水情況 單位：m3/d

5 沙漠公路防護林太陽能光伏發電灌溉效益分析

5.1 可靠性

1）柴油機發電：以消耗柴油發電為水泵提供動力，發電不受天氣影響，只要燃料配送及時，柴油機維護保養到位，管護人員精心操作設備，具有較高的可靠性。

2）太陽能光伏發電：以太陽能資源發電為水泵提供動力，設計陰天連續工作3～4天，極端惡劣陰雨天氣連續工作3天，通過長期運行證明發電量、水量供應充足；以苗木成活率為考核標準，結果證明無論是成活率還是長勢均達到油田公司驗收標準；由于安裝配備蓄電池，駐井人員24 h生活用電均能得到有效保障，尤其在冬季，還能為駐井人員提供采暖用電，提高生活質量。

5.2 能源成本

1）柴油機發電：單井柴油發電機組功率24 kW，柴油機每天工作12 h，日消耗柴油40～50 L，年消耗柴油量12 t；柴油價格按8 600元/t計算，能源消耗成本為10萬元。除此之外，若柴油價格不斷上漲，年度費用將持續增加。

2）太陽能光伏發電：太陽能光伏發電建站一次性投資，建成后不消耗能源，初期建站投資100萬元，蓄電池使用壽命7年，控制柜及逆變器使用壽命8年；以20年為周期計算太陽能光伏電站建設總費用190萬元，年費用9.5萬元，年費用略低于柴油發電。隨著太陽能產品的不斷研發和改進，其價格還將有一定下降空間。

5.3 節能減排效益

1）柴油機發電：以消耗柴油發電為水泵提供動力，柴油為化石能源產出的二次能源，不可再生，燃燒后CO有毒氣體排放系數為1.52 g/L，CO2溫室氣體排放系數為2.73 kg/L，對環境有一定影響。

2）太陽能光伏發電：太陽能發電系統維護操作簡單，電池板使用壽命20年以上，所配備的膠體蓄電池使用壽命7年，且可回收進行分級處理，提取二氧化硅、鉛錠、聚丙烯等產品，通過太陽能系統的生產過程實現節約和減排。12口柴油機井年消耗柴油140 t，實施太陽能改造后年可減排CO2溫室氣體435 t，有效保護了環境。

5.4 社會及品牌效益

太陽能資源取之不盡用之不竭，因地制宜大力發展太陽能、風能等非化石能源是我國能源結構調整的方向。新疆，尤其是南疆地區，全年日照時數達3 000 h以上，輻射強度大，具備太陽能規模化發展優勢。

◇沙漠公路防護林生態工程2008年被國家評為“環境友好工程”，在此基礎上實現防護林太陽能光伏發電灌溉，其“環境友好”的豐富內涵將淋漓展現；

◇宏偉壯觀的沙漠公路及其綠化灌溉工程一直都能夠吸引大量人員參觀考察，實現防護林太陽能光伏發電灌溉，已成為提高油田品牌形象、體現油田社會價值的前沿窗口；

◇太陽能光伏發電技術是增強企業自身可持續發展能力的需要，也是節約能源、清潔發展，建設一流國際大油氣田的需要，同時為油田公司在其他領域規模化推廣應用太陽能資源提供寶貴經驗。

6 結語

塔里木油田公司在建設“一流國際大油氣田”的進程中,始終堅持把企業的發展放在節能減排的大格局中定位。塔里木沙漠公路生態防護林太陽能光伏發電灌溉項目的試驗成功與推廣應用，是油田突出價值發展、可持續發展的標志性工程，同時也為太陽能等新能源和低碳環保技術在塔里木油田的規模化應用奠定了堅實基礎。沙漠公路生態防護林目前剩余的柴油機發電井85口，塔里木油田公司將用3年時間按照20口、30口、35口的數量建設太陽能光伏電站，到2015年6月全部完成，實現油田的綠色與和諧發展。

[1]任新兵.太陽能光伏發電工程技術[M].北京:化學工業出版社,2012.

[2]王長貴.太陽能光伏發電實用技術[M].北京:化學工業出版社,2010.

[3]徐政.太陽能揚水系統的推廣應用[J].陽光能源,2009(1).