談光伏發電在污水廠的應用

中國市政工程華北設計研究總院有限公司 李保澤 王 瑜

城市規模的變化為城市生活污水排放帶來了嚴峻的形式形勢，據住建部統計數據，全國累計建成城市污水處理廠5000多座(不含鄉鎮污水處理廠和工業)，污水處理能力達2.1億立方米/日。據業內專業人士測算，按每個污水廠平均可建設5MW 光伏容量預估，目前我國污水廠可建設光伏電站的規模將超25GW，潛在市場廣闊。穿上了光伏外衣的污水廠不僅能處理污水，而且還能促進污水處理企業可持續發展，為減碳之路貢獻力量。

我國的太陽能資源十分豐富，陸地表面每年接收的太陽能相當于17000億噸標準煤。根據氣象部門的調查、測算：我國太陽能年總輻射量最大值在青藏高原，高達10100MJ/m2，最小值在四川盆地，僅3300MJ/m2。從大興安嶺南麓向西南穿過河套，向南沿青藏高原東側直至西藏南部，形成一條等值線。此線以西為太陽能豐富地區，年日照小時數＞3000h，這是由于這些地區位于內陸，全年氣候干旱、云量稀少所致；此線以東地區（即我國東北、華北、長江中下游地區）以四川最小，由此向南、北增加，廣東沿海較大；內蒙古東部、華北較大，至東北北部又趨減小。由于豐富和較豐富區占國土面積2/3以上，因而我國是一個太陽能源豐富的國家，開發、利用前景較好[1]。

從城市污水排放能夠看出，目前存在著眾多問題。例如，污水處理廠一般都建在市區和城鎮的周邊，周圍很少有高大建筑物或離高大建筑物較遠，太陽光利用率高。污水廠內建、構筑物分散，可充分利用生物池、調節池、二沉池、初沉池、濾池等池頂以及鼓風機房、脫水機房、綜合樓、綜合處理車間等建筑物屋頂進行光伏組件的安裝，可利用空間大，能保證光伏發電系統規模，充分利用太陽能資源。本文以光伏發電在污水廠中的實際應用以及遇到的問題進行深入的剖析，并提出了有效的整改措施。

1 光伏發電的應用前景及在污水處理廠的實施性

響應國家號召，支持政府完成“十四五”節能減排目標。由于經濟全球化進程加快給中國帶來資源環境新挑戰，能源問題已引起黨中央、國務院的高度重視，提出把節約資源作為基本國策。“十四五”提出我國2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和。但我國是發展中國家，正處于工業化、城鎮化進程快速發展的階段，同時又處于產業轉型期，傳統的粗放型增長方式加劇了資源消耗，因此節能減排任務艱巨，需要全社會共同努力，大力發展新能源發電和綜合能源也將成為實現未來“3060”碳目標的主要方式。

推廣太陽能利用、推進光伏產業發展。雖然我國在太陽能應用和技術產品開發方面已取得較大成就，但受技術經濟發展水平的限制，目前太陽能光伏產品并沒有走進千家萬戶：如太陽能產品的使用受天氣因素影響較大；太陽能發電裝置造價昂貴，每千瓦的平均成本偏高等。但在常規能源短缺已成為制約我國經濟發展瓶頸的今天，清潔、無窮的太陽能利用應有更大空間，太陽能光伏發電也有更大的市場潛力可挖，因此實施本工程對推廣太陽能利用、推進光伏產業發展是十分必要的。

促進光伏建筑一體化以及綠色建筑的發展。太陽能光伏發電技術已日趨成熟，可以說是最具可持續發展的可再生能源技術之一。在今后的很長一段時間內，太陽光伏發電市場將會有很好的發展前景，尤其是并網型光伏發電系統。

光伏發電如與建筑結合將可有效減少建筑能耗（約占總能耗的三分之一）。光伏發電與建筑結合、安裝在屋頂或屋面上，不需要額外占地，節省了土地資源；光伏發電沒有噪聲、沒有排放、不消耗任何燃料，不會給生活帶來任何不便。本發電項目定位于“低碳、生態、環保”的綠色建筑理念，通過光伏發電工程的建設將有利于促進光伏建筑一體化和綠色建筑的發展[2]。

目前在太陽能在污水處理市場的應用領域光伏是兩個用途：一是大型污水處理廠的生物池，分散型農村污水生物處置光伏發電，農村一般的建造都是政府投資的，但運行是需農村自己承擔，所以需要運行成本越低越好，個也是我用的非常多的。光熱式大型消化器是需要加熱的，還有污泥干化需要消耗大量的熱能。大型的污水理廠生物池蓋板光伏發電有占地面積的優勢，降低運行能耗需求，還有可結合污水廠除臭功能同步進行，太陽能電池的光電轉化效率提高，成本會降低，還有產業政策經濟政策也會促動。

天津營城的污水處理廠建太陽能發電設備1100千瓦，產電可占污水處理廠用電的20%，是在池子上面建設太陽能蓋板。現在全國用電的一噸水里用電大概0.3度電左右，但電費大概是4毛錢到8毛錢一度，首先農村全部自來水普及沒有那么多，雖然一次性投資是政府來投資，但也需要一個成本非常低的、能用太陽能供電的渠道，這樣基本上就沒有運行的電費。

2 集控運行技術的環境條件

集控運行系統也被稱之為集教控制系統，這種系統大多會應用于大型工業生產專業。目前集控運行技術會充分融合高科技技術，達到對生產可展開統一控制。目前現代工業所使用的流水線一般會融合自動化以及集成化，其實這都是集控技術，但屬于被淘汰的一種技術。現代集控系統在工作時主要是依靠處理器，可將通訊技術、計算機技術以及控制技術相結合，對于火電廠在生產時的具體操控可使用。集控運行技術提升自動化進程，管理技術主要根據火電廠的具體情況而定，要有較完善的管理方案，適當提高生產效率。

集控運行系統需要較好的環境條件給與支持，其中包含外部環境以及內部環境，尤其是在外部環境中還需具備更多有限的條件，例如計算機控制系統以及控制室等都會給予相應的支持。設備的好與壞其實與系統安全運行有很大的關系，尤其是在組裝及調控時，會出現一些額外的因素對其進行干擾。然而很多工作人員會將這些忽略。

但其中不可忽略的重點內容有：光伏發電廠中最多的設備就是發電機組，然而對其需要進行集中控制，并且還要建立完善的系統。對存在安全隱患以及過多干擾的設備，會導致在運行中出現不良信號，促使獲取錯誤的信息；電源供電模式如果出現問題，會影響集控系統的環境，集控系統無法發揮出真正的作用；電子室以及控制室要安裝制冷設備，需要具備統一的空調系統，同時對于室內的溫度、濕度需要及時進行調節，由于在中國南方與北方有很大的氣候差異，所以也要將其影響因素充分考慮。尤其是在北方的冬天氣候非常干燥，因而很容易出現靜電離子。南方氣溫比較溫和、空氣中濕度比較大，但是電路板上會容易出現水珠，所以很容易出現短路。

3 光伏發電廠集控系統運行模式的構建

為了使光伏發電廠能夠正常的運行，首先在各方面都要有完整的系統及較好的管理體系。所以集控系統想要獲得正常的運行，首先要對其構建較為完善的體系。

3.1 分散控制模式

分散控制可對每一個設備分別控制，集中控制會產生故障集中，這也是集中控制的最大缺點。故障比較分散，主要是由于集中控制系統對微處理器進行分析，將控制功能均勻的分散給每一臺微處理器。這種系統結構很容易出現錯誤的設計，會導致微處理器出現故障，同時也會導致系統出現很嚴重的故障。微處理器根據環境的不同也會展開不同的控制性能，尤其是根據設備的結構以及軟件形式去實現不同的功能，根據計算機所具備的可靠性，在控制器上可對每一個微處理器展開控制，可獨立完成任務。

微處理器在出現故障時整個系統都會受到影響，然而集中控制系統會充分融合計算機技術，對于處理速度也會有較大的提升。系統中的一個部分或是計算機出現了故障，如沒有進行在線更換、對于此系統也不會造成干擾，分散控制功能可及時處理分散故障。

另外集控運行系統目前的組成比較老式，所以還會采取較為傳統的一票控制，對控制器進行安裝時，要避免不必要的輸入以及輸出，要避免電線過長，同時也要避免信號在傳輸時受到一定的干擾。多功能控制器以及微處理器在分擔任務時，同時也會有很多的故障產生，如分散故障能夠得到處理，會減輕故障的發生。

3.2 等級化的控制模式

電廠集控運行技術目前已具備較完善的管理形式，但也具備階梯性的特點。目前的技術管理形式已具備等級化，尤其是技術管理工作需要不斷的細化，這樣才能夠提升技術管理，同時也能夠提升科學化水準。相關技術人員要具備較高的素質，對于設備能夠及時進行控制，同時控制也分為層次，要按照整個集控管理局面進行技術化管理。

3.3 實現通訊系統的綜合控制

電廠在實際工作中其實有很多的要求，并且對于很多設備可即時進行控制，目前通訊系統也已具備高速傳輸數據的能力，本系統主要與高速通訊網絡接口共同展開工作，可做到多系統控制。充分采用高速數據傳輸，可為控制器以及監控計算器提供適當的支持，從而達到協調控制的目的。集中控制系統需要通過微處理器才可以不斷地發展，同時可以具備較高的安全性能，也可以具備較強的儲存量。火電廠在實際生產中首先要對軟件工程重視起來，要避免工作人員對發電機組的狀態隨意進行改變，從而影響到控制工作。管理硬件的時候也要管理軟件，這兩點是不可松懈的。

3.4 對控制系統進行管理

集中控制系統的軟件及硬件共同組成了控制系統，如果某個控制系統環節出現了問題，對于整個控制系統來講會有很大的影響，導致其無法正常工作，例如跳閘、設備損壞等情況。對于控制系統，在管理時首先應采用計算機系統的特性，充分展開工作。

3.5 “光伏+水務”成功融合，實現企業降本增效

穿上了光伏外衣的污水廠不僅能處理污水，還能促進污水處理企業可持續發展，為減碳之路貢獻力量。2018年6月，武漢江夏污水處理廠實現光伏發電全覆蓋，每年發電量可達150萬度，每年節省電量20%左右。俯瞰武漢江夏污水處理廠，廠區內屋頂、沉淀池、生化池上布滿光伏發電板，正在靜悄悄地將太陽能轉為電能。除能發電外，污水廠上的光伏板能遮擋直射水池的太陽光，有效抑制了池內的綠藻生長。

2014年12月，位于江蘇省揚州市的潔源污水處理廠分布式光伏發電項目正式并網發電，總裝機容量為9.7MW，該項目在揚州市湯汪、六圩、自來水公司第一水廠等3個污水處理廠的池體上方共鋪設了9.8萬平米光伏板，最大程度地利用了自身廠區土地的空間。據2017年數據顯示，30個月該分布式光伏項目共發電2300萬千瓦時，相當于減少標煤消耗8280噸。其中2016年發電量達1000萬千瓦時，相當于年耗電量的近4成。同燃煤火電站相比，每年可為國家節約標準煤3180噸、減少二氧化硫排放量298噸、二氧化氮28.3噸，減少溫室氣體二氧化碳排放量為8608.6噸。

2018年8月，安徽首座污水處理廠光伏發電項目、位于安徽省合肥市的王小郢污水處理廠分布式光伏發電項目正式并網發電，該項目利用廠區氧化溝和沉淀池上方空間排布光伏組件，裝機容量達10.8MW，每年可提供約1200萬度光伏電，采用自發自用、余電上網模式，其中90%以上可被污水處理廠就地消納。

4 結語

城市化速度發展越來越快，所以也體現出了環境及其他種種問題，但是在眾多問題中環境問題是重中之重，需要引起高度重視，尤其是環境會導致城市規劃速度變慢。大量的污水出現已經影響到社會的發展，所以對于生活污水要重視，同時還需要重視環境保護，要具備較強的環保意識。利用污水廠進行發電，不僅節省能源、同時還可將廢物利用。全社會共同努力加強環境建設，用合理的方式處理污水、改變生存環境，為大眾、為社會打造綠色環保的生活環境。