并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)在污水處理廠中的應(yīng)用

言 穆 昀(中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司, 天津 300074)

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)在污水處理廠中的應(yīng)用

言 穆 昀
(中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司, 天津 300074)

介紹了北京市郊某污水處理廠并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。利用污水處理廠構(gòu)筑物上方的有效空間,加裝帶有太陽(yáng)能電池板的頂棚,建成不可調(diào)型集中并網(wǎng)光伏發(fā)電站,既滿足了污水處理廠白天用電高峰期時(shí)的電力供應(yīng),又在一定程度上控制了污水池的蒸發(fā)量和溫度,提高了污水處理能力。

并網(wǎng)光伏發(fā)電; 污水處理廠; 電池組件; 并網(wǎng)逆變器

0 引 言

北京市發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布的京政發(fā)[2009]43號(hào)《北京市加快太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見(jiàn)》(簡(jiǎn)稱指導(dǎo)意見(jiàn))提出,在全市范圍內(nèi)的污水處理廠中積極倡導(dǎo)推廣與建筑結(jié)合的太陽(yáng)能頂棚光伏發(fā)電項(xiàng)目。合理利用污水處理廠中構(gòu)筑物上方有效空間,建設(shè)光伏建筑一體化工程,是市政企業(yè)應(yīng)盡的責(zé)任。

本文介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)在北京市郊某污水處理廠中的應(yīng)用,分析了利用綜合生化池頂棚建成并網(wǎng)光伏電站的設(shè)計(jì)思路。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則

(1) 在滿足污水處理工藝的前提下,合理加設(shè)頂棚。

(2) 并網(wǎng)逆變?cè)O(shè)備技術(shù)成熟,同時(shí)結(jié)合完善的保護(hù)措施,保證光伏系統(tǒng)供電可靠,并輸出高品質(zhì)的電能。

(3) 就近并網(wǎng)供電,以減少系統(tǒng)損耗。

(4) 在廠綜合樓前設(shè)置顯示光伏電站整體運(yùn)行數(shù)據(jù)的屏幕,以展示綠色能源的有效利用。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該污水處理廠用電計(jì)算負(fù)荷約為525 kW,年耗電量約為460×104kWh。根據(jù)污水處理廠中構(gòu)筑物可利用的頂棚面積、太陽(yáng)能電池板總面積、年平均太陽(yáng)輻射總量、光電轉(zhuǎn)換效率等參數(shù),計(jì)算得到光伏組件總裝機(jī)容量為674 kWp,共有2 487片136 Wp非晶柔性薄膜電池組件(簡(jiǎn)稱非晶電池組件)和1 460片230 Wp多晶硅電池組件(簡(jiǎn)稱多晶電池組件)被固定在綜合生化池新建的頂棚結(jié)構(gòu)上。光伏發(fā)電系統(tǒng)年均發(fā)電量為80.85×104kWh,日均發(fā)電量為2 215 kWh,約為污水處理廠日耗電量的17.6%,所發(fā)電量供污水處理廠低壓負(fù)荷使用,差額部分由市網(wǎng)提供。按電池組件25 a的使用年限計(jì),其總發(fā)電量可達(dá)2 021.25×104kWh。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

頂棚光伏陣列布置圖如圖1所示。采用加設(shè)頂棚的方式,將綜合生化池北側(cè)澄清池上端空間及水池周邊延伸場(chǎng)地改造為污水處理車間,面積為13 940 m2。

污泥池和曝氣池的水溫低于12 ℃時(shí),污泥活性明顯下降,直接影響污水處理效果。所以,污泥池和曝氣池上方不設(shè)置頂棚,以便陽(yáng)光直接照射,提高池水溫度,保證微生物的生長(zhǎng)速度。

圖1 頂棚光伏陣列布置圖

澄清池是污水處理的出口處,比入口處水量減少5%,這是污水處理過(guò)程中池水蒸發(fā)所致。加設(shè)頂棚,可有效減少池水的蒸發(fā)量,特別是在冬季,可降低水池上方的北風(fēng)風(fēng)速,改善局部小環(huán)境,提高池水溫度,顯著增加污水處理能力。

綜合生化池采用的是柔性池底技術(shù),而澄清池上方采用索膜結(jié)構(gòu)形式,平面鋪設(shè)非晶柔性薄膜電池組件(第一組陣)作為頂棚建筑材料,使兩種均具有柔性和輕質(zhì)特性的建筑材料相得益彰,共同形成大跨度空間結(jié)構(gòu),改善了污水處理能力。污泥池和曝氣池周邊場(chǎng)地采用鋼框架支撐體系,上面以34°向南傾角鋪設(shè)多晶硅電池組件(第二組陣),形成硬質(zhì)頂棚,供維修、備品備件堆放、停車、變配電設(shè)施等預(yù)留場(chǎng)地使用。

兩座逆變器室分建于曝氣池的兩側(cè),位于光伏陣列的下方,每座逆變器室內(nèi)裝有2臺(tái)150 kW逆變器和1臺(tái)交流配電柜。

1.4 電氣設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能電池組件串聯(lián)的數(shù)量由逆變器的最高輸入電壓和最低工作電壓及太陽(yáng)能電池組件允許的最大系統(tǒng)電壓確定;太陽(yáng)能電池組件的并聯(lián)數(shù)量由逆變器的額定容量確定。電池組件參數(shù)如表1所示。逆變器參數(shù)如表2所示。

表1 電池組件參數(shù)

由表1、表2參數(shù)計(jì)算得,非晶電池組件的安裝容量為339 kWp,光伏陣列的效率取87.8%,輸入逆變器的直流功率為298 kWp,需設(shè)置2臺(tái)150 kW逆變器,每臺(tái)并聯(lián)接入的光伏組件路數(shù)為78路,每路由16個(gè)136 Wp電池組件串聯(lián)而成。每16路電池串列接入1臺(tái)16路直流匯流箱,共需5臺(tái)。同樣,多晶硅電池組件的安裝容量為335 kWp,光伏陣列的效率取87.8%,輸入逆變器的直流功率為295 kWp,需設(shè)置兩臺(tái)150 kW的逆變器,其中一臺(tái)并聯(lián)回路數(shù)為36路,另一臺(tái)并聯(lián)回路數(shù)為37路,每路組件串聯(lián)的額定功率容量為230×20=4 600 Wp,需要直流匯流箱6臺(tái)。

表2 逆變器參數(shù)

電氣系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 電氣系統(tǒng)框圖

太陽(yáng)能電池陣列接入直流匯流箱進(jìn)行匯流后,通過(guò)防雷器與斷路器輸出,經(jīng)埋地電纜接入逆變器,輸出50 Hz、380 V三相交流電,再由電纜引至污水處理廠現(xiàn)有的高低壓變電所,接入低壓母線側(cè)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。變電所380 V系統(tǒng)的主接線方式為單母線分段接線,兩座逆變器室發(fā)出的電力分別接入兩段母線上。

并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)采用的并網(wǎng)逆變器具有相位和電壓自動(dòng)跟蹤裝置,能很好地配合電網(wǎng)相位和電壓微小的波動(dòng),不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成影響。

本站無(wú)蓄電池儲(chǔ)能設(shè)備,當(dāng)陰雨天無(wú)太陽(yáng)時(shí),由電網(wǎng)供電給負(fù)荷。

1.5 監(jiān)控設(shè)計(jì)

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)配有數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)系統(tǒng),由工業(yè)PC、監(jiān)控軟件、GPS裝置、以太網(wǎng)通信裝置、RS-485通信電纜等組成,實(shí)時(shí)顯示和記錄逆變器的發(fā)電量等日常運(yùn)行數(shù)據(jù),短路、孤島等故障數(shù)據(jù),環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),并通過(guò)以太網(wǎng)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器與全廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

2 效益分析

2.1 社會(huì)效益

電站每年可為電網(wǎng)提供80.85×104kWh電量,相當(dāng)于每年可節(jié)約7 276.5 t標(biāo)煤,SO2、CO2、CO、NO2、煙塵排放量分別約減少82.06 t、21 257.8 t、1.94 t、84.7 t、99.2 t。

2.2 經(jīng)濟(jì)效益

(1) 發(fā)電收入。發(fā)電容量全部用作廠內(nèi)低壓側(cè)并網(wǎng)使用,則經(jīng)濟(jì)效益即為所發(fā)電量抵用同時(shí)段的工業(yè)用電支出。北京市1～10 kV普通工業(yè)用電價(jià)格:高峰期(8:00～11:00、18:00～23:00),電費(fèi)為1.115 1元/kWh;平段(11:00～18:00、7:00～8:00),電費(fèi)為0.773 5元/kWh。太陽(yáng)能電池組件每天發(fā)電時(shí)間恰好在8:00～16:00,這樣該工程平均抵用電費(fèi)約為0.875 6元/kWh。按照運(yùn)營(yíng)25 a、電費(fèi)平均年漲幅2.5%計(jì)算,則年均發(fā)電收入約為97.80萬(wàn)元。

(2) 補(bǔ)貼收入。根據(jù)指導(dǎo)意見(jiàn)的相關(guān)內(nèi)容規(guī)定,該項(xiàng)目生產(chǎn)前三年按照1元/kWh的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算補(bǔ)貼收入。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) 污水廠可利用的有效面積很大,且用電負(fù)荷穩(wěn)定,有利于推廣自發(fā)自用式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

(2) 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)無(wú)需蓄電池儲(chǔ)能,不僅減少了蓄電池的投資與損耗,也減少了處理廢蓄電池產(chǎn)生的污染,既降低了運(yùn)行成本,又提高了運(yùn)行和供電的穩(wěn)定性。

(3) 污水廠一旦停電,污泥中的微生物就會(huì)因缺氧而失去生物活性,導(dǎo)致出水不達(dá)標(biāo),故廠內(nèi)需要雙路供電。光伏電站發(fā)電穩(wěn)定可靠,可作為備用電源使用。

(4) 當(dāng)?shù)蛪号潆娋W(wǎng)中接入不超過(guò)總用電負(fù)荷15%～20%的光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí),不需要對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行任何改造,也不存在電力送出(逆流)和電網(wǎng)能力的問(wèn)題,對(duì)于電網(wǎng)公司僅僅是負(fù)荷管理。

(5) 在計(jì)算頂棚面積時(shí)要留有足夠的池面,供陽(yáng)光照射,以提高水溫,保證微生物存活,這在北方尤為重要。

(6) 在已建成的綜合生化池上加裝帶有太陽(yáng)能電池板的頂棚,除了要克服荷載重、跨距大的困難,還要克服場(chǎng)地小、不宜使用大型起吊設(shè)備帶來(lái)的安裝困難。所以,在新建項(xiàng)目之際,要考慮光伏發(fā)電工程,留有足夠荷載和安裝空間。

[1] 趙爭(zhēng)鳴,劉政建,孫曉英,等.太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[2] 許蘭剛,劉世俊,林景祥.與景觀結(jié)合的奧運(yùn)森林公園并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)[J].中國(guó)能源,2008(6):39.

[3] 沈陽(yáng),朱先峰.光伏屋頂系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及效益分析[J].太陽(yáng)能,2009(11):50-51.

[4] GB 50797—2012 光伏變電站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] 污水處理車間太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目可行性研究報(bào)告[G].2010.

Application of Grid-connected Photovoltaic Generation System in Sewage Treatment Factory

YAN Muyun

(North China Municipal Engineering Design & Research Institute, Tianjin 300074, China)

This paper introduced the design of grid-connected photovoltaic power in Beijing sewage treatment factory. By using the effective space above the structure, the installation of a solar cell panel roof was carried out, so the nonadjustable focus grid-connected photovoltaic power station was built. The grid-connected photovoltaic power meets the electricity demand of sewage treatment factory during the day, and to a certain extent controls the evaporation capacity and the temperature of the sewage pool, to improve the sewage treatment capacity.

grid-connected photovoltaic generation; sewage treatment factory; battery assembly; grid-connected inverter

言穆昀(1962—),女,高級(jí)工程師,從事工業(yè)和民用電氣自動(dòng)化和電力系統(tǒng)方面的研究。

2015-01-20

TM 615+.2

B

1674-8417(2015)04-0024-04