生物-生態(tài)一體化污水處理工藝的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建與性能分析

陳北洋 陳紹良 才丁 潘旗*

（1華電水務(wù)控股有限公司 2太原科技大學(xué)）

生物-生態(tài)一體化污水處理工藝的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建與性能分析

陳北洋1陳紹良2才丁1潘旗1*

（1華電水務(wù)控股有限公司 2太原科技大學(xué)）

分布式光伏發(fā)電技術(shù)是污水處理廠降本增效的有效手段。通過(guò)在生物-生態(tài)一體化污水處理池陽(yáng)光棚頂布置單板容量≥170kW、透光率≥40%的超薄雙玻無(wú)邊框晶硅光伏組件，可構(gòu)建光伏-市電協(xié)同供電系統(tǒng)。供電同時(shí)滿足池內(nèi)挺水植物生長(zhǎng)所需光照條件，具有耐候性強(qiáng)、造型美觀、防潮抗蝕、防火抗裂、易于清潔的特點(diǎn)。

生物-生態(tài)一體化；污水處理；陽(yáng)光棚；超薄雙玻無(wú)邊框晶硅組件

引言

生物-生態(tài)一體化污水處理系統(tǒng)可滿足發(fā)達(dá)地區(qū)或旅游區(qū)生態(tài)要求。在生化池頂設(shè)置陽(yáng)光棚可使系統(tǒng)適應(yīng)北方氣候，滿足植物生長(zhǎng)需要、強(qiáng)化冬季污水處理效果。分布式光伏發(fā)電-市電協(xié)同供電體系是污水處理廠節(jié)能降耗的有效手段。如何充分利用陽(yáng)光棚頂建設(shè)空間構(gòu)建分布式光伏系統(tǒng)，同時(shí)又能滿足生化池內(nèi)植物生長(zhǎng)所需光照條件，節(jié)約成本、安全可靠正是本文的研究重點(diǎn)。

1 生物-生態(tài)一體化污水處理系統(tǒng)

生物-生態(tài)一體化污水處理技術(shù)通過(guò)生化池內(nèi)生物/植物模塊及微生物構(gòu)成的微觀生態(tài)體系，有效去除污染物。系統(tǒng)環(huán)境融合度高、綠色環(huán)保、高效集約。污水經(jīng)預(yù)處理去除漂浮物及懸浮物，通過(guò)二級(jí)處理段生化池內(nèi)微生物綜合作用去除有機(jī)污染物及氮磷，出水在二沉池泥水分離后經(jīng)深度處理及消毒后達(dá)標(biāo)外排，剩余污泥濃縮脫水外運(yùn)。

生化反應(yīng)池深5米左右，內(nèi)設(shè)植物/生物模塊，植物根系伸展至水下1.5米區(qū)域。系統(tǒng)推流設(shè)計(jì)，依次為缺氧、好氧段，曝氣裝置滿足池內(nèi)溶氧需求[1]。

2 陽(yáng)光棚頂光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 陽(yáng)光棚設(shè)置及運(yùn)行維護(hù)

北方地區(qū)溫帶大陸性氣候，其特征為：①冬冷夏熱，晝夜溫差大，1月最冷，7月最熱，春溫高于秋溫。②降水量少且季節(jié)分配不均，集中在夏季[2]。反應(yīng)池頂布置陽(yáng)光棚可實(shí)現(xiàn)生物-生態(tài)一體化污水處理技術(shù)在北方地區(qū)的運(yùn)用與推廣：既滿足植物的生長(zhǎng)環(huán)境要求，又強(qiáng)化污水在冬季的處理效果。

陽(yáng)光棚高度一般在3-5米左右，框架支撐采用鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)，根據(jù)保溫性能需求選用板材，可選用單層玻璃板、中空（真空）玻璃、雙層聚合物復(fù)合材料等。陽(yáng)光棚與生化池采用預(yù)埋件螺栓連接并做好密封，陽(yáng)光棚頂可按照最佳輻射角度進(jìn)行布置。陽(yáng)光棚側(cè)壁設(shè)有通風(fēng)風(fēng)機(jī)，頂部及側(cè)壁設(shè)置通風(fēng)窗便于空氣流通。棚頂設(shè)置帷幔、噴淋等輔助設(shè)施控制溫濕度，冬季采暖確保溫度不低于6-8℃。

2.2 主要用電負(fù)荷及電壓等級(jí)

污水廠安全運(yùn)行連續(xù)性強(qiáng)，中斷供電將造成很大影響，為二級(jí)負(fù)荷。一般采用兩路10kV高壓電源供電，一用一備，兩路電源故障保證率均為100%，用電設(shè)備均為380/220V低壓負(fù)荷，主要包括：污水提升泵及回流泵等輸送裝置、鼓風(fēng)機(jī)、污泥處理、預(yù)處理以及采暖照明系統(tǒng)等。為適應(yīng)中國(guó)北方寒冷氣候，還需考慮陽(yáng)光棚及附屬設(shè)備的用電負(fù)荷，新增用電設(shè)備有照明燈、植物補(bǔ)光燈、取暖器、通風(fēng)風(fēng)機(jī)等[3]。

2.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建

光伏發(fā)電系統(tǒng)由組件、逆變器、交流匯流箱、電纜組成，如圖1所示。光伏發(fā)電低壓并入電網(wǎng)，自發(fā)自用，余電上網(wǎng)，形成了光伏-市電協(xié)同供電模式[4]。

圖1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

陽(yáng)光棚頂坡面朝向及角度與光伏最佳輻射角度一致。坡頂采用鋼方管支架支撐，為滿足支撐結(jié)構(gòu)承重需求，可省去玻璃頂棚，直接在鋼方管上方安置光伏板。另考慮陽(yáng)光棚內(nèi)植物生長(zhǎng)采光條件，推薦采用透光率≥40%的光伏組件。因生化池上方環(huán)境濕度較大，推薦采用耐候性雙玻無(wú)邊框晶硅光伏組件。以亞瑪頓翼龍系列SEAM40板材為例，單板容量160-175Wp，尺寸1662*990*5mm，重量19kg，前蓋板為2mm鋼化鍍膜玻璃，背板為2mm鋼化玻璃，透光率41%，晶片按照5*8陣列排布，最高效率10.7%。具有耐候性強(qiáng)、造型美觀、無(wú)PID隱患、易清潔的特點(diǎn)[5,6]。光伏組件與鋼方管之間采用結(jié)構(gòu)膠固定，電池板組件之間采用密封膠密封，組件密封情況如圖2所示。

圖2 光伏組件與鋼方管及組件間密封示意圖

為提高支撐穩(wěn)定性、美觀性，可將組件之間密封銜接接縫置于支撐鋼方管管架之上，組件安裝布置情況如圖3所示。

圖3 超薄雙玻光伏組件對(duì)角密封示意圖

為保證系統(tǒng)靈活性，采用壁掛式組串逆變器懸掛于陽(yáng)光房支撐框架，防護(hù)等級(jí)IP65。

關(guān)口計(jì)量表10kV計(jì)量，設(shè)于污水廠產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)負(fù)荷側(cè)，用于上網(wǎng)電能及用網(wǎng)電能計(jì)量。關(guān)口表具備雙向有功、無(wú)功計(jì)量功能。具備電壓、電流、電能等信息采集和三相不平衡電流監(jiān)測(cè)功能，配有標(biāo)準(zhǔn)通信接口，具備本地通信和通過(guò)電能信息采集終端遠(yuǎn)程通信的功能，將采集數(shù)據(jù)和信息傳輸至電力營(yíng)銷系統(tǒng)主站。發(fā)電量計(jì)量電能表設(shè)在光伏發(fā)電站出口側(cè)，用于發(fā)電量統(tǒng)計(jì)和電價(jià)補(bǔ)償。

3 陽(yáng)光棚頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)性能分析

3.1 便于安置，透光率高

生化池陽(yáng)光棚坡頂采用鋼方管支架支撐，雙玻光伏組件平均重量8.5-12kg/m3，替代玻璃頂棚安裝方便，同時(shí)可降低載重負(fù)擔(dān)、防止重復(fù)投資。雙玻光伏組件透光率≥40%，替代陽(yáng)光棚頂覆蓋材料，可滿足植物采光要求。

3.2 防潮抗蝕，耐候性強(qiáng)

污水廠屬高溫高濕環(huán)境，組件PID效應(yīng)劇烈。在組件選擇時(shí)應(yīng)充分考慮抗PID性能。無(wú)邊框組件抗PID能力強(qiáng)。玻璃背板透水率幾乎為0、耐紫外抗老化能力強(qiáng)，耐候性絕佳[7]。

3.3 防火抗裂，安全性強(qiáng)

雙玻結(jié)構(gòu)使組件彎曲時(shí)中心不偏離電池片，防止電池片受損，抗隱裂[8]。玻璃背板替代塑料背板，降低電弧或熱板效應(yīng)造成的火災(zāi)隱患，可達(dá)到最高防火等級(jí)要求。有效承受2400pa風(fēng)壓和5400pa雪壓，系統(tǒng)強(qiáng)度高，安全穩(wěn)定[9]。

4 結(jié)論

污水廠光伏-市電協(xié)同供電體系可降低市電用電比例，同時(shí)獲得補(bǔ)貼，提高總體收益。生物-生態(tài)一體化污水處理池頂陽(yáng)光棚鋼支架上部安裝高透光率超薄雙玻無(wú)邊框晶硅光伏組件，供電的同時(shí)滿足池內(nèi)植物生長(zhǎng)所需光照條件，性能穩(wěn)定、造型美觀，與植物園式污水處理系統(tǒng)相得益彰，具有典型的示范效應(yīng)，建議推廣應(yīng)用。

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