并網光伏發電系統在污水處理廠中的應用

劉 揚，熊 駿

（1.長江生態環保集團有限公司，湖北武漢 430000；2.湖北能源集團新能源發展有限公司，湖北武漢 430000）

污水處理廠在處理污水的過程中，需要使用大量的能源，其屬于能耗類型的產業。而在處理污水的過程中，使用的電力可以達到污水處理廠處理污水資金的40%。伴隨我國城市化進程的快速發展，城市污水排放量迅速增加，所以一部分城市需要建設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，又對污水處理廠的建設有了節約用地的規定。因此，在城市地下建設污水處理廠，成為現如今污水處理廠建設的目標。而在地下建設的污水處理廠，對污水處理廠的相關條件有更高的規定（如污水處理廠的照明能力、污水處理廠的通風能力），而這些設施在使用的過程中需要消耗大量的能源。根據對現實污水處理廠的研究，這兩種設施消耗的能源達到地下污水處理廠能耗的7%～10%，而在地下污水處理廠進行污水處理的過程中又依賴這兩種設施。因此在規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作資金，成了工程規劃過程中需要兼顧的一個內容。在該項目規劃的過程中，通過對許多措施進行比較，最后選擇了并網光伏發電與地下污水處理廠相結合的措施。該措施不僅可以節約城市建設用地，還可以減少污水處理廠的運作資金。

1 工程概況

該工程按照設計的方案建設，項目的占地面積在45 866m2左右，該污水處理廠前期處理污水的能力為7.5×104m3/d，在后期工程建設完畢以后，可以達到15×104m3/d。在工程的設計方案中，對工程的地上部分建筑物提出了很高的標準，到現實情況工程地上部分面積有限。該工程地上部分的設計方案如圖1所示。為了按照設計方案的規定進行工程建設，最后在污水處理廠地上部分建設的樓頂安設了光伏發電系統，運用每列20串、每行4串的長方形布局進行安設。太陽能光板坐北朝南，傾斜度是20°，長度是33.19m，寬度是3.76m，建設的面積是125m2。

圖1 項目地上景觀效果圖

2 并網光伏發電系統規劃

2.1 設計原則

①在確保污水處理廠能夠進行污水處理的要求下，科學的對光伏發電系統進行規劃，安裝相關的頂棚。②應用先進的光伏發電技術進行建設，應用相關的防護方案進行防護，確保光伏發電系統能夠順利運行，提升系統發電的質量。③采用臨近并網供電的方式，降低電能傳輸過程中的損失。④建設能夠實時反映光伏發電系統運作參數的系統，促進電力的合理分配。

2.2 結構設計

該污水處理廠建設過程中運用了加設頂棚的方案，通過對相關的工程進行改建，建設污水處理車間，占地面積約13 940m2。由于污泥池與曝氣池這兩個池內溫度一旦低于12℃時，就會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量。因此，在污泥池與曝氣池的上層部分不加設頂棚，方便太陽光的進入，確保池內溫度高于12℃，使池內微生物可以快速繁殖。通過對其他污水處理廠的研究，發現澄清池流出污水水量比進水池水量低5%左右，其主要原因是由于在污水處理階段，污水蒸發所產生的問題。因此，在相關的水池上方安裝頂棚，在一定程度上可以降低池水的蒸發，而在冬季，又可以起到保溫作用，使池內污水不會結冰，確保污水處理工作可以正常進行。綜合生化池運用柔性池底工藝進行建設，在澄清池的上層應用索膜架構方案，在平面處安裝相關的光伏發電系統（第一組陣）進行頂棚的建設，該方式可以發揮材料的特征，產生相關的空間構造，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域運用鋼鐵進行架構，安裝坐北朝南、傾斜度為 34°的光伏發電系統（第二組陣）進行頂棚建設。同時，光伏發電系統的下方可以留存一部分的區域，存放相關的維修設備與相關的設施。在曝氣池的東西方向，建設相關的變電室，處于光伏發電系統的下層，每一座變電室要安裝變電器與相關的配電柜。

2.3 光伏發電系統設計計算

2.3.1 負荷需求

通過相關的運算，該項目地下照明設施的載荷為48kW左右，通風設施的載荷為133kW左右。依據光伏發電系統的限時建設狀況，要確保光伏發電系統產生的電能能滿足地下設施的運行。

2.3.2 系統設計系數

（1）光伏發電 系統太陽能光板的規劃數據。①光伏發電系統組合損失數據。光伏發電系統組合損失數據產生的原因是因為在太陽能光板組合階段 由于相關的組件未按照科學的分配方式而產生的電能損失。在實行太陽能光板組合的過程中，要按照相關的規定，把電壓失配控制值把控在±2%左右，把功率的實配控制值控制4-1%。②光伏發電系統安裝的環境數據。在光伏發電系統安裝的過程中，要根據污水處理廠的環境情況，進行科學的規劃，使其達到最優的目標。③光能發電系統運行過程中的衰減數據。由于隨著光伏發電系統使用時間的增長，太陽能光板在紫外線的作用下會產生相應的物理反應，會降低太陽能光板的發電量。該項目應用的太陽能光板在規定的期限內衰減率要小于10%。（2）光伏發電系統運作與系統安全防護的規劃數據。①要保證光伏發電系統的供電率達到99.9%。②要保證光伏發電系統運行時間大于100 000h。③要滿足光伏發電系統支架能抵御30m/s的風力。④要確保電壓回路的安全數據高于1.5。⑤相關設施的安全數據最低值是1.2。

2.4 并網系統設計

在本項目中，在相關的電網能夠正常運作的條件下，白天可以通過光伏發電系統生產電力，之后通過相關的電流變電氣進行控制，為污水處理廠地下照明設施與通風設施提供電力。本項目地下照明設施與通風設施消耗的電能往往都高于光伏發電系統發電的效能，因此污水處理廠地下照明設施與通風設施所使用的電能可以通過光伏發電系統與公共電網共同提供，但要先應用光伏發電系統所生產的電力，應用公共電網彌補電力的缺陷。在光伏發電系統發電效能高于污水處理廠地下照明設施與通風設施所使用的電能時，可以將剩余的電能傳輸到相關電網，之后經過電網為其他設施提供電能。地下污水廠要依據相關的規定，進行二級載荷規劃，兼顧相關的電能。所以本項目的光伏發電系統在通常情況下不會產生電力供應不足的情況。但為了防止相關情況的發生，要采用相關的防護措施：一旦光伏發電系統產生的電能不能滿足地下污水處理廠相關設施的需求或者產生的電能高于平常界限時，可以運用相關的系統對其進行控制，對傳輸電流進行監測，設置一定的電流額度，超過電流額度就自動斷電，從而在一定程度上避免相關情況的發生。光伏發電系統示意圖如圖2所示。

圖2 并網系統的示意圖

2.5 展示光伏發電系統的運行

為了提高光伏發電系統產生能源的高效運用，該工程設置了相關的計算機系數搜集設備。該設備經過連接相關的功率調節設備，對搜集到的相關系數實行對應的分析，并生成圖片或者表格方式進行展示，還可以匯集光伏發電系統各個階段的系數，并進行儲存。

2.6 電氣設計

光伏發電系統中太陽能光板串聯的數量是變電器的相關電壓與規定的系統電壓所決定的，太陽能光板并聯的數量由變電器的規定容量決定。相關的電池組件數據見表1；逆變器參數見表2。

表1 電池組件參數

表2 逆變器參數

3 效益分析

本工程中的光伏發電系統一年生產的電能為15×103kW·h左右，其生產的電能可以節省5.4t煤，同時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 結束語

與常規的污水處理廠進行對比，地下式的污水處理廠增添了地下照明設施與地下通風設施，但同時又可以安裝光伏發電系統彌補地下污水處理廠相關設施的能源需求。現階段伴隨我國光伏發電系統技術的快速發展，一部分地下污水處理廠在建設的過程中都大范圍應用了光伏發電系統。但由于污水處理廠成本、城市建設用地等因素的影響下，導致光伏發電系統不能大規模的建設。要想促進地下污水處理廠與光伏發電系統緊密的結合，就要相關的規劃工作者進行實際的規劃，確保兩者都能正常運行，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。