光伏发电系统在LNG接收站工程中的应用
秦丕伟1，柴雨耕1*，金剑1，邢磊磊1
（1海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）
摘要：能源是人类社会发展和进步最重要的动力来源，我国目前能源生产与消费主要是以煤炭和石油类化石能源为主随着对此类不可再生能源的过度利用，全国的存储量在渐渐枯竭。LNG 接收站工程所需电能主要来源于供电方式，供电可靠性不高，且由发电厂经电网直接输送至配电所，产生较高的碳排放。光伏发电系统是一种在大范围停电时，将光能转换为电能并能继续保持工作的装置，可替代化石能源使用太阳能资源。对光伏发电所需太阳能数据的获取和处理方法，光伏组件的设计和选择，并网逆变器的选择， 光伏方阵的布置和设计，以及最终应用于 LNG 项目的电气系统设计等方面进行了详细的介绍。
关键词：LNG工程 光伏发电 太阳能资源 电气系统
Application of photovoltaic power generation system in LNG receiving station engineering
Qin PiWei1，Chai YuGeng1*，Jin Jian1，Xing LeiLei1
(1 Offshore Oil Engineering Co,Ltd,Tian Jin 300450)
Abstract:Energy serves as the fundamental catalyst for the advancement and evolution of human society. Currently, China's energy production and consumption are mainly based on fossil fuels such as coal and oil. As the use of these nonrenewable resources is too large, the domestic storage capacity of the country is gradually decreasing, and the storage of domestic energy is gradually becoming a large part of national energy resources. The electricity required for the LNG receiving station project mainly comes from the power supply method, which has low reliability and is directly transmitted from the power plant to the distribution station through the power grid, resulting in high carbon emissions. Photovoltaic power generation system is a device that converts light energy into electrical energy and can continue to operate during large-scale power outages, and can replace fossil fuels with solar energy resources. A detailed introduction was given on the acquisition and processing methods of solar energy data required for photovoltaic power generation, the design and selection of photovoltaic modules, the selection of grid connected inverters, the layout and design of photovoltaic arrays, and the electrical system design ultimately applied to LNG projects.
Key words: LNG engineering; photovoltaic power generation; solar energy resources; electrical system
引 言
能源是人类社会发展和进步最重要的动力来源，作为经济发展的基础，成为了必不可少的核心动力[1]。随着科技的进步，人类对能源需求的选择也越来越多，近年来，太阳能、风能等多种能源供给方式逐渐兴起和成熟。太阳能能源供应模式属于绿色能源的重要组成部分[2]，光伏等新兴能源与传统的碳基化石能源相比，污染环境程度较小，能源转化效率更高[3]。
LNG接收站作为能源供应的重要枢纽，对电力供应的稳定性和可靠性提出了更高的要求，传统化石能源发电的方式存在着一系列问题，对环境造成污染、燃料供应不稳定和成本高昂等。所以，寻找清洁和再生能源供应的方法是非常有必要的。光伏发电在LNG接收站中，能显著减少碳排放。太阳能发电可以提高LNG接收站的能源独立性和供电可靠性，很
光伏发电系统在LNG接收站工程中的应用
秦丕伟1，柴雨耕1*，金剑1，邢磊磊1
（1海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）
摘要：能源是人类社会发展和进步最重要的动力来源，我国目前能源生产与消费主要是以煤炭和石油类化石能源为主随着对此类不可再生能源的过度利用，全国的存储量在渐渐枯竭。LNG 接收站工程所需电能主要来源于供电方式，供电可靠性不高，且由发电厂经电网直接输送至配电所，产生较高的碳排放。光伏发电系统是一种在大范围停电时，将光能转换为电能并能继续保持工作的装置，可替代化石能源使用太阳能资源。对光伏发电所需太阳能数据的获取和处理方法，光伏组件的设计和选择，并网逆变器的选择， 光伏方阵的布置和设计，以及最终应用于 LNG 项目的电气系统设计等方面进行了详细的介绍。
关键词：LNG工程 光伏发电 太阳能资源 电气系统
Application of photovoltaic power generation system in LNG receiving station engineering
Qin PiWei1，Chai YuGeng1*，Jin Jian1，Xing LeiLei1
(1 Offshore Oil Engineering Co,Ltd,Tian Jin 300450)
Abstract:Energy serves as the fundamental catalyst for the advancement and evolution of human society. Currently, China's energy production and consumption are mainly based on fossil fuels such as coal and oil. As the use of these nonrenewable resources is too large, the domestic storage capacity of the country is gradually decreasing, and the storage of domestic energy is gradually becoming a large part of national energy resources. The electricity required for the LNG receiving station project mainly comes from the power supply method, which has low reliability and is directly transmitted from the power plant to the distribution station through the power grid, resulting in high carbon emissions. Photovoltaic power generation system is a device that converts light energy into electrical energy and can continue to operate during large-scale power outages, and can replace fossil fuels with solar energy resources. A detailed introduction was given on the acquisition and processing methods of solar energy data required for photovoltaic power generation, the design and selection of photovoltaic modules, the selection of grid connected inverters, the layout and design of photovoltaic arrays, and the electrical system design ultimately applied to LNG projects.
Key words: LNG engineering; photovoltaic power generation; solar energy resources; electrical system
引 言
能源是人类社会发展和进步最重要的动力来源，作为经济发展的基础，成为了必不可少的核心动力[1]。随着科技的进步，人类对能源需求的选择也越来越多，近年来，太阳能、风能等多种能源供给方式逐渐兴起和成熟。太阳能能源供应模式属于绿色能源的重要组成部分[2]，光伏等新兴能源与传统的碳基化石能源相比，污染环境程度较小，能源转化效率更高[3]。
LNG接收站作为能源供应的重要枢纽，对电力供应的稳定性和可靠性提出了更高的要求，传统化石能源发电的方式存在着一系列问题，对环境造成污染、燃料供应不稳定和成本高昂等。所以，寻找清洁和再生能源供应的方法是非常有必要的。光伏发电在LNG接收站中，能显著减少碳排放。太阳能发电可以提高LNG接收站的能源独立性和供电可靠性，很
多LNG接收站位于偏远地区，传统的电网供电方式存在着受限制和不稳定的问题。将光伏发电装置安装在建筑物顶端或建筑物外墙，并对它们进行科学的设计和安装，从而在工程中保证电力需求， 在建筑物的电力系统中引入光伏技术，可以为建筑物提供持续稳定的能量供给[4]， 将太阳能电池模块加入建筑材料，可以降低工程的能量损失，在建筑物的电力系统中，光伏技术可以为建筑物提供持续稳定的能量供应，可以减少工程的能量损耗[5]。这种能源独立性有助于确保LNG接收站的稳定运行，进而提高整体能源供应的可靠性。
LNG 接收站在光伏发电中可以降低运营成本。光伏发电设备的成本随着技术的进步和规模的扩大而逐渐下降，尽管太阳能发电设备的初始投资较高。一旦安装完成并投入使用，太阳能发电系统的运维成本相对较低，并且减少了对燃料的依赖，从长期来看可以节约大量的运营费用。因此，采用太阳能发电系统供电不仅可以减少环境负担，更可以在经济上带来实际的收益。
LNG接收站使用太阳能资源发电供电具有重要的背景和意义。通过减少碳排放、提高能源独立性和降低运营成本，这种清洁、可再生的能源选择符合环保和可持续发展的理念，同时为LNG接收站提供了可靠、经济的电力供应方式。
1 太阳能资源数据的获取与处理
1.1 太阳能资源数据的获取方式
评估区域太阳能资源所需辐射数据通常以30年为宜，可从地面长期观测站、 气象数据库以及商用气象(辐射)软件包等几个方面获得数据。
（1）长时间观测站在所承担的包括气象站、辐射站和生态站在内的有关站所能承担的生态站， 是承接部分或全部气象辐射观测任务的长期观测站。
我国把承担气象放射观测工程任务的气象站分为 Ⅰ 类、Ⅱ 类和 Ⅲ 类，分别按照放射观测的内容进行分类。 I 级辐射范围包括： 总辐射、太阳直射、反射辐射；II类辐射台是只做总放射和净放射观测的放射观测台； III 辐射台是只做总辐射量观测的辐射量观测台。
（2）公共气象资料库。 中国气象科学资料共享服务网是覆盖全国的、分布式的科学资料共用服务系统，是中国气象科学数据共享服务系统的组成部分， 也是我国气象科学数据的共享服务系统。存在于网站中的站点采集了包含近 30 年的气象辐射数据，可供检测和下载共享网站上的气象辐射数据和数据。
（3）商业气象软件包。 《中国太阳能辐射资料库》由全国各站点 1~12 月份总辐射和直接辐射数据组成，可实现区域(站点)、气象辐射资料，范围涉及全国。
根据获得的太阳能资源数据，可以进行资源丰富程度的划分。
表1 太阳能资源丰富程度
Tab.1: Richness of Solar Energy Resources
丰富等级 | 年辐射总量/（MJ/m2） | 平均日辐射总量/（kW.h/m2） | 地区 |
I | ≥6300 | ≥4.8 | 新疆、西藏 |
II | 5040～6300 | 3.8～4.8 | 内蒙古东部 |
III | 3780～5040 | 2.9～3.8 | 广西 |
IV | <3780 | <2.9 | 重庆 |
1.2 数据合理性校验
可以根据每天的天文辐射量等，来判断数据的合理性。
针对获取的敷设数据要求
1.太阳所产生的总辐射最大辐照度应不超过太阳常数值
2.日总辐射所产生的辐射量不应超过大气层上界日太阳的总敷设
重新区分不合理材料，挑出有效的、符合实际的材料。
替换己确认为无效资料或所填资料，经分析处理后将所备或可供参考的同期资料予以替换，以备无效资料之用。
2 光伏发电系统设计
2.1 光伏发电系统的构成
光伏发电系统主要由光伏方阵、光伏汇流箱、逆变器、储能装置以及交直流配电箱组成，系统构成图1如下。
图1：光伏发电系统组成
Fig.1: Composition of Photovoltaic Power Generation System
各部分的作用如下：
（1）光伏方阵：在机械、电气上采用固定的支撑结构，将若干光伏组件以一定的方式装配在一起，又称为光伏方阵的直流发电单元(DCF)；
（2）光伏逆变器：具有最大功率点追踪功能和保护功能的电气设备，将光伏方阵输出的直流电压电流转换为交流电压和电流；
（3）光伏汇流箱：将多个光伏组件串联、并联在光伏发电系统中的设备，使之汇流到一起；
（4）储能装置：储存光伏发出的电能的装置。
2.2 晶硅电池的特点与选型
光伏方阵中晶硅光伏电池组件整体可划分为晶硅类电池和非晶硅类电池，其中晶硅类电池又可划分为单晶硅光伏电池、多晶硅薄膜电池。
电池比较如下表所示。
表2：电池特性比较
Tab.2: Comparison of Battery Characteristics
电池种类 | 转换效率 | 价格 | 寿命 | 运行维护 | 适应环境 |
单晶硅光伏组件 | 13%～18% | 高 | 寿命期长，可保证25年 | 组件故障率低，自身免维护
| 与光强度相关的输出功率，在高温条件下并没有完全发挥出高效的效果。 |
多晶硅光伏组件 | 12%～16% | 低 | 寿命期长，可保证25年 | 组件故障率低，自身免维护
| 与光强度相关的输出功率，在高温条件下并没有完全发挥出高效的效果。 |
硅基薄膜光伏组件 | 8%～12% | 最低 | 衰减更快寿命只有 10~15 年 | 柔性元件表面积灰的几率较大，清洗起来比较困难。 | 弱光具有很好的响应性及较高的充电效率。 具有优良的高温性能，相较于晶体硅光伏电池，其受到温度变化的影响较小。 |
晶硅类电池。转换效率最高，成本更高，产生的温度作用为负值； 目前应用较多的是应用在日光辐射较强、发电能力较高、通风降温问题解决较好的建筑物屋顶、天窗或遮阳板等部位的单晶硅光伏电池。
硅基薄膜光伏组件。 成本低，吸收散射光理想，不会产生负温效应，因此安装在直接辐射较少的太阳处更为合适。
2.3 并网逆变器选型
并网逆变器主要有高频转换器种类、低频转换器种类和免转换器种类三大类。 变压器型式主要根据所设计的电站和工程的具体要求，从安全和效率两个层面进行考量。下表是不同类型逆变器之间的对照表。
表3：逆变器类型特性
Tab.3: Characteristics of Inverter Types
类型 | 安全性 | 转换效率 | 成本价格 | 重量、尺寸 |
高频变压器型 | 中 | 低 | 中 | 中 |
低频变压器型 | 高 | 中 | 高 | 大 |
无变压器型 | 低 | 高 | 低 | 小 |
1.容量匹配设计
并网系统中对光伏方阵及逆变器的容量要求如下：
（1）
并网逆变器的最大输入功率，在容量设计上应与光伏方阵功率近似相等，从而达到最大限度地利用逆变器的目的。
2.MPPT 的电压范围应与光伏组件的电压相匹配
光伏方阵的输出电压应在逆变器 MPPT 电压范围内，光伏组件具有最大功率输出点， 并网逆变器具有自动追踪最大功率点的功能，根据光伏组件的输出特性而定。
光伏组件电压×组件串联数=光伏方阵电压 （2）
标称电压与并网逆变器的 MPPT 电压中间值近似相等，可获得最佳的 MPPT 效果，这是光伏方阵的标称电压。
2.4 光伏方阵的计算
光伏组件的串并联
1.光伏电池的串联
光伏电池的串联电路中，电流恒定。
（3）
2.光伏电池的并联
光伏电池的串联电路中，电压恒定。
（4）
3.组件串联的电压匹配
（1）光伏组件串联电压要求如下：
（5）
考虑到温度的影响
（6）
式中：UocSTC为标准状态下极板的开路电压；Koc为极板的开路电压温度系数；Tmin为极板安装处的最低温度。
（2）最大开路电压应不大于变频器所允许直流输入电压的最大值。
（7）
Vdcmax：逆变器允许的最大电流输入电压。
（3）光伏组件的工作电压要求如下：
（8）
2.5 串联组件与逆变器的匹配
与逆变器电压相匹配的光伏方阵，与逆变器的匹配主要是指电压匹配、电流匹配、功率匹配三个方面。光伏方阵输出不是一个稳定的系统，它的输出受一些随机因素的影响，比如光照条件，环境温度。电压匹配是指光伏方阵的输出应时刻满足光伏逆变器的工作条件，逆变器存在一个工作范围值—最小工作电压和最大工作电压。同时逆变器还存在一个最大功率跟踪范围—最小跟踪电压和最大跟踪电压，超出最大功率跟踪范围但不超出工作范围，并且该逆变器仍然可以工作，但无法保证最大功率追踪的实现。
（1）电压匹配
在低温条件下，串接元件的开路电压比直流输入的最高电压要低，而逆变器能够接受的电压要低一些。
（9）
考虑温度的影响
（10）
式中，UDC.max为逆变器的最高直流输入电压，V。
MPPT工作范围。
（11）
（2）电流匹配。对于电流来说，要保证阵列比逆变器输入的电流最大值输出的电流不大。
（3）功率匹配。调整光伏方阵的串联组件数，使阵列输出接近逆变器的额定功率，从而在符合电压范围和电流范围的前提下获得逆变的最高效能。
光伏逆变器的功率匹配
（12）
2.6 光伏方阵的布置
（1）温度要求
工作于最大功率点的晶硅组件，其温度一般会比环境温度 25 ℃的基础上，在阳光照射 1000 W/m2，通风良好的条件下提高。
在常规工作条件下，电池片温度会明显上升，并高于环境温度。工作于最大功率点的晶硅组件，其温度一般会比环境温度 25 摄氏度的基础上，在阳光照射 1000W/m2，通风良好的条件下提高。1000 W/m2 以上的辐照度，在通风较差的情况下，温度上升较多。应注意保持元件尽可能在工作温度允许的范围内，因为温度升高和通风不良造成的性能衰减。
（2）方位角度设计
一般太阳能电池的发电量以方阵朝正南最多。 偏离正南 30 °时，方阵发电量减少 10%~15%左右； 偏离正南 60 °时，原则发电量减少 20%~30%左右。
（3）阴影遮挡计算
计算组件与前排遮挡物（女儿墙等）以及组件行间距，光伏组件安装如图2所示。
通过太阳高度角
（13）
式中：D—光伏组件的最小距离(mm)不会被障碍物挡住，也不会被正面光伏组件的阴影遮蔽；
H—H—垂直距离光伏组件受光面最低处(mm)、障碍物或正面光伏组件最高处；
—太阳高度角，按项目地冬至日正午12时取值。
—光伏构件的安装方位角
—光伏构件的安装倾角
a-前方有障碍物b-前排有光伏构件
图2 光伏组件安装图
Fig.2 Installation diagram of photovoltaic modules
屋顶安装光伏系统的阴影遮挡物主要来自建筑物本体的障碍物(如女儿墙等)， 以及前排光伏组件对后排光伏组件的遮挡物可以通过计算得到距离障碍物最小的光伏组件和两排光伏组件之间最小的距离。
3 光伏发电在LNG工程中的应用
3.1 唐山某LNG工程概况
该地区站址位于河北省唐山市，根据太阳能资源获取方式得出发电站站址区年总辐射量为1337 kWh/m2。以及太阳能资源丰富等级为III。
3.2 光伏系统设计
根据上述计算方法，得出本工程光伏组件采用固定倾角26°安装，共安装单晶硅单面光伏组件56块，安装容量30.24 kWp。
考虑到随着光伏组件温度的升高而降低开路电压的温度系数，从而影响到光伏元件； 相反，组件温度降低，开路温度升高，从而使元件温度下降。在计算电池板串联电压时，需要考虑当地的最低环境温度，以确定串联电池的数量和直流串联电压，从而确保逆变器在极限低温条件下能够正常连续运行。
参考文献
[1] 刘岩.基于可持续发展的可再生能源价值研究[D].哈尔滨工业大学,2011.
[2] 赵亮.低碳发展对石油化工行业的影响[J].石油化工建设,2021:23-25.
[3] 孙霞.石油化工企业发展低碳经济的现状与出路[J].商情, 2017:72.
[4] 赵福聪,张格凯.光伏发电在建筑电气节能减排中的应用[J].光源与照明,2023:126-128.
[5] 袁杰.新能源光伏发电站项目建设管理思考[J].冶金与材料,2020:155-156.
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