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

劉 揚(yáng)，熊 駿

（1.長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)保集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430000；2.湖北能源集團(tuán)新能源發(fā)展有限公司，湖北武漢 430000）

污水處理廠在處理污水的過(guò)程中，需要使用大量的能源，其屬于能耗類(lèi)型的產(chǎn)業(yè)。而在處理污水的過(guò)程中，使用的電力可以達(dá)到污水處理廠處理污水資金的40%。伴隨我國(guó)城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，城市污水排放量迅速增加，所以一部分城市需要建設(shè)新的污水處理廠以及改造已有的污水處理廠，而由于城市用地緊張的緣故，又對(duì)污水處理廠的建設(shè)有了節(jié)約用地的規(guī)定。因此，在城市地下建設(shè)污水處理廠，成為現(xiàn)如今污水處理廠建設(shè)的目標(biāo)。而在地下建設(shè)的污水處理廠，對(duì)污水處理廠的相關(guān)條件有更高的規(guī)定（如污水處理廠的照明能力、污水處理廠的通風(fēng)能力），而這些設(shè)施在使用的過(guò)程中需要消耗大量的能源。根據(jù)對(duì)現(xiàn)實(shí)污水處理廠的研究，這兩種設(shè)施消耗的能源達(dá)到地下污水處理廠能耗的7%～10%，而在地下污水處理廠進(jìn)行污水處理的過(guò)程中又依賴這兩種設(shè)施。因此在規(guī)劃地下污水處理廠的階段，怎樣減少污水處理廠的資金投入與減少處理廠的運(yùn)作資金，成了工程規(guī)劃過(guò)程中需要兼顧的一個(gè)內(nèi)容。在該項(xiàng)目規(guī)劃的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)許多措施進(jìn)行比較，最后選擇了并網(wǎng)光伏發(fā)電與地下污水處理廠相結(jié)合的措施。該措施不僅可以節(jié)約城市建設(shè)用地，還可以減少污水處理廠的運(yùn)作資金。

1 工程概況

該工程按照設(shè)計(jì)的方案建設(shè)，項(xiàng)目的占地面積在45 866m2左右，該污水處理廠前期處理污水的能力為7.5×104m3/d，在后期工程建設(shè)完畢以后，可以達(dá)到15×104m3/d。在工程的設(shè)計(jì)方案中，對(duì)工程的地上部分建筑物提出了很高的標(biāo)準(zhǔn)，到現(xiàn)實(shí)情況工程地上部分面積有限。該工程地上部分的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。為了按照設(shè)計(jì)方案的規(guī)定進(jìn)行工程建設(shè)，最后在污水處理廠地上部分建設(shè)的樓頂安設(shè)了光伏發(fā)電系統(tǒng)，運(yùn)用每列20串、每行4串的長(zhǎng)方形布局進(jìn)行安設(shè)。太陽(yáng)能光板坐北朝南，傾斜度是20°，長(zhǎng)度是33.19m，寬度是3.76m，建設(shè)的面積是125m2。

圖1 項(xiàng)目地上景觀效果圖

2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)劃

2.1 設(shè)計(jì)原則

①在確保污水處理廠能夠進(jìn)行污水處理的要求下，科學(xué)的對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃，安裝相關(guān)的頂棚。②應(yīng)用先進(jìn)的光伏發(fā)電技術(shù)進(jìn)行建設(shè)，應(yīng)用相關(guān)的防護(hù)方案進(jìn)行防護(hù)，確保光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠順利運(yùn)行，提升系統(tǒng)發(fā)電的質(zhì)量。③采用臨近并網(wǎng)供電的方式，降低電能傳輸過(guò)程中的損失。④建設(shè)能夠?qū)崟r(shí)反映光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)作參數(shù)的系統(tǒng)，促進(jìn)電力的合理分配。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該污水處理廠建設(shè)過(guò)程中運(yùn)用了加設(shè)頂棚的方案，通過(guò)對(duì)相關(guān)的工程進(jìn)行改建，建設(shè)污水處理車(chē)間，占地面積約13 940m2。由于污泥池與曝氣池這兩個(gè)池內(nèi)溫度一旦低于12℃時(shí)，就會(huì)使污泥活性顯著的降低，在一定程度上降低了污水處理的質(zhì)量。因此，在污泥池與曝氣池的上層部分不加設(shè)頂棚，方便太陽(yáng)光的進(jìn)入，確保池內(nèi)溫度高于12℃，使池內(nèi)微生物可以快速繁殖。通過(guò)對(duì)其他污水處理廠的研究，發(fā)現(xiàn)澄清池流出污水水量比進(jìn)水池水量低5%左右，其主要原因是由于在污水處理階段，污水蒸發(fā)所產(chǎn)生的問(wèn)題。因此，在相關(guān)的水池上方安裝頂棚，在一定程度上可以降低池水的蒸發(fā)，而在冬季，又可以起到保溫作用，使池內(nèi)污水不會(huì)結(jié)冰，確保污水處理工作可以正常進(jìn)行。綜合生化池運(yùn)用柔性池底工藝進(jìn)行建設(shè)，在澄清池的上層應(yīng)用索膜架構(gòu)方案，在平面處安裝相關(guān)的光伏發(fā)電系統(tǒng)（第一組陣）進(jìn)行頂棚的建設(shè)，該方式可以發(fā)揮材料的特征，產(chǎn)生相關(guān)的空間構(gòu)造，提升污水處理廠處理污水的能力。污泥池與曝氣池的四周區(qū)域運(yùn)用鋼鐵進(jìn)行架構(gòu)，安裝坐北朝南、傾斜度為 34°的光伏發(fā)電系統(tǒng)（第二組陣）進(jìn)行頂棚建設(shè)。同時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的下方可以留存一部分的區(qū)域，存放相關(guān)的維修設(shè)備與相關(guān)的設(shè)施。在曝氣池的東西方向，建設(shè)相關(guān)的變電室，處于光伏發(fā)電系統(tǒng)的下層，每一座變電室要安裝變電器與相關(guān)的配電柜。

2.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.3.1 負(fù)荷需求

通過(guò)相關(guān)的運(yùn)算，該項(xiàng)目地下照明設(shè)施的載荷為48kW左右，通風(fēng)設(shè)施的載荷為133kW左右。依據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的限時(shí)建設(shè)狀況，要確保光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能能滿足地下設(shè)施的運(yùn)行。

2.3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)系數(shù)

（1）光伏發(fā)電 系統(tǒng)太陽(yáng)能光板的規(guī)劃數(shù)據(jù)。①光伏發(fā)電系統(tǒng)組合損失數(shù)據(jù)。光伏發(fā)電系統(tǒng)組合損失數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因是因?yàn)樵谔?yáng)能光板組合階段 由于相關(guān)的組件未按照科學(xué)的分配方式而產(chǎn)生的電能損失。在實(shí)行太陽(yáng)能光板組合的過(guò)程中，要按照相關(guān)的規(guī)定，把電壓失配控制值把控在±2%左右，把功率的實(shí)配控制值控制4-1%。②光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝的環(huán)境數(shù)據(jù)。在光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝的過(guò)程中，要根據(jù)污水處理廠的環(huán)境情況，進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃，使其達(dá)到最優(yōu)的目標(biāo)。③光能發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的衰減數(shù)據(jù)。由于隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)使用時(shí)間的增長(zhǎng)，太陽(yáng)能光板在紫外線的作用下會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的物理反應(yīng)，會(huì)降低太陽(yáng)能光板的發(fā)電量。該項(xiàng)目應(yīng)用的太陽(yáng)能光板在規(guī)定的期限內(nèi)衰減率要小于10%。（2）光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)作與系統(tǒng)安全防護(hù)的規(guī)劃數(shù)據(jù)。①要保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電率達(dá)到99.9%。②要保證光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間大于100 000h。③要滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)支架能抵御30m/s的風(fēng)力。④要確保電壓回路的安全數(shù)據(jù)高于1.5。⑤相關(guān)設(shè)施的安全數(shù)據(jù)最低值是1.2。

2.4 并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在本項(xiàng)目中，在相關(guān)的電網(wǎng)能夠正常運(yùn)作的條件下，白天可以通過(guò)光伏發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)電力，之后通過(guò)相關(guān)的電流變電氣進(jìn)行控制，為污水處理廠地下照明設(shè)施與通風(fēng)設(shè)施提供電力。本項(xiàng)目地下照明設(shè)施與通風(fēng)設(shè)施消耗的電能往往都高于光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電的效能，因此污水處理廠地下照明設(shè)施與通風(fēng)設(shè)施所使用的電能可以通過(guò)光伏發(fā)電系統(tǒng)與公共電網(wǎng)共同提供，但要先應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)所生產(chǎn)的電力，應(yīng)用公共電網(wǎng)彌補(bǔ)電力的缺陷。在光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效能高于污水處理廠地下照明設(shè)施與通風(fēng)設(shè)施所使用的電能時(shí)，可以將剩余的電能傳輸?shù)较嚓P(guān)電網(wǎng)，之后經(jīng)過(guò)電網(wǎng)為其他設(shè)施提供電能。地下污水廠要依據(jù)相關(guān)的規(guī)定，進(jìn)行二級(jí)載荷規(guī)劃，兼顧相關(guān)的電能。所以本項(xiàng)目的光伏發(fā)電系統(tǒng)在通常情況下不會(huì)產(chǎn)生電力供應(yīng)不足的情況。但為了防止相關(guān)情況的發(fā)生，要采用相關(guān)的防護(hù)措施：一旦光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能不能滿足地下污水處理廠相關(guān)設(shè)施的需求或者產(chǎn)生的電能高于平常界限時(shí)，可以運(yùn)用相關(guān)的系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行控制，對(duì)傳輸電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)置一定的電流額度，超過(guò)電流額度就自動(dòng)斷電，從而在一定程度上避免相關(guān)情況的發(fā)生。光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 并網(wǎng)系統(tǒng)的示意圖

2.5 展示光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行

為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生能源的高效運(yùn)用，該工程設(shè)置了相關(guān)的計(jì)算機(jī)系數(shù)搜集設(shè)備。該設(shè)備經(jīng)過(guò)連接相關(guān)的功率調(diào)節(jié)設(shè)備，對(duì)搜集到的相關(guān)系數(shù)實(shí)行對(duì)應(yīng)的分析，并生成圖片或者表格方式進(jìn)行展示，還可以匯集光伏發(fā)電系統(tǒng)各個(gè)階段的系數(shù)，并進(jìn)行儲(chǔ)存。

2.6 電氣設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電系統(tǒng)中太陽(yáng)能光板串聯(lián)的數(shù)量是變電器的相關(guān)電壓與規(guī)定的系統(tǒng)電壓所決定的，太陽(yáng)能光板并聯(lián)的數(shù)量由變電器的規(guī)定容量決定。相關(guān)的電池組件數(shù)據(jù)見(jiàn)表1；逆變器參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 電池組件參數(shù)

表2 逆變器參數(shù)

3 效益分析

本工程中的光伏發(fā)電系統(tǒng)一年生產(chǎn)的電能為15×103kW·h左右，其生產(chǎn)的電能可以節(jié)省5.4t煤，同時(shí)還可以降低二氧化碳排放量12.2t左右，降低一氧化硫排放量0.135t左右，降低碳氧化合物排放量0.06噸左右。

4 結(jié)束語(yǔ)

與常規(guī)的污水處理廠進(jìn)行對(duì)比，地下式的污水處理廠增添了地下照明設(shè)施與地下通風(fēng)設(shè)施，但同時(shí)又可以安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)彌補(bǔ)地下污水處理廠相關(guān)設(shè)施的能源需求?，F(xiàn)階段伴隨我國(guó)光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，一部分地下污水處理廠在建設(shè)的過(guò)程中都大范圍應(yīng)用了光伏發(fā)電系統(tǒng)。但由于污水處理廠成本、城市建設(shè)用地等因素的影響下，導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)不能大規(guī)模的建設(shè)。要想促進(jìn)地下污水處理廠與光伏發(fā)電系統(tǒng)緊密的結(jié)合，就要相關(guān)的規(guī)劃工作者進(jìn)行實(shí)際的規(guī)劃，確保兩者都能正常運(yùn)行，從而降低污水處理廠在后期的資金投入，提高污水處理廠的污水處理能力。