言 穆 昀(中國市政工程華北設計研究總院有限公司, 天津 300074)

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)在污水處理廠中的應用

言 穆 昀
(中國市政工程華北設計研究總院有限公司, 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)的設計。利用污水處理廠構筑物上方的有效空間,加裝帶有太陽能電池板的頂棚,建成不可調型集中并網(wǎng)光伏發(fā)電站,既滿足了污水處理廠白天用電高峰期時的電力供應,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)展和改革委員會發(fā)布的京政發(fā)[2009]43號《北京市加快太陽能開發(fā)利用促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導意見》(簡稱指導意見)提出,在全市范圍內的污水處理廠中積極倡導推廣與建筑結合的太陽能頂棚光伏發(fā)電項目。合理利用污水處理廠中構筑物上方有效空間,建設光伏建筑一體化工程,是市政企業(yè)應盡的責任。

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用,分析了利用綜合生化池頂棚建成并網(wǎng)光伏電站的設計思路。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)設計

1.1 設計原則

(1) 在滿足污水處理工藝的前提下,合理加設頂棚。

(2) 并網(wǎng)逆變設備技術成熟,同時結合完善的保護措施,保證光伏系統(tǒng)供電可靠,并輸出高品質的電能。

(3) 就近并網(wǎng)供電,以減少系統(tǒng)損耗。

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

1.2 系統(tǒng)設計

該污水處理廠用電計算負荷約為525 kW,年耗電量約為460×104kWh。根據(jù)污水處理廠中構筑物可利用的頂棚面積、太陽能電池板總面積、年平均太陽輻射總量、光電轉換效率等參數(shù),計算得到光伏組件總裝機容量為674 kWp,共有2 487片136 Wp非晶柔性薄膜電池組件(簡稱非晶電池組件)和1 460片230 Wp多晶硅電池組件(簡稱多晶電池組件)被固定在綜合生化池新建的頂棚結構上。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,其總發(fā)電量可達2 021.25×104kWh。

1.3 結構設計

頂棚光伏陣列布置圖如圖1所示。采用加設頂棚的方式,將綜合生化池北側澄清池上端空間及水池周邊延伸場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,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置頂棚,以便陽光直接照射,提高池水溫度,保證微生物的生長速度。

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%,這是污水處理過程中池水蒸發(fā)所致。加設頂棚,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風速,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,而澄清池上方采用索膜結構形式,平面鋪設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特性的建筑材料相得益彰,共同形成大跨度空間結構,改善了污水處理能力。污泥池和曝氣池周邊場地采用鋼框架支撐體系,上面以34°向南傾角鋪設多晶硅電池組件(第二組陣),形成硬質頂棚,供維修、備品備件堆放、停車、變配電設施等預留場地使用。

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

1.4 電氣設計

太陽能電池組件串聯(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能電池組件允許的最大系統(tǒng)電壓確定;太陽能電池組件的并聯(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,需設置2臺150 kW逆變器,每臺并聯(lián)接入的光伏組件路數(shù)為78路,每路由16個136 Wp電池組件串聯(lián)而成。每16路電池串列接入1臺16路直流匯流箱,共需5臺。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,需設置兩臺150 kW的逆變器,其中一臺并聯(lián)回路數(shù)為36路,另一臺并聯(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。

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

太陽能電池陣列接入直流匯流箱進行匯流后,通過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,接入低壓母線側實現(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跟蹤裝置,能很好地配合電網(wǎng)相位和電壓微小的波動,不會對電網(wǎng)造成影響。

本站無蓄電池儲能設備,當陰雨天無太陽時,由電網(wǎng)供電給負荷。

1.5 監(jiān)控設計

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)配有數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測系統(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,實時顯示和記錄逆變器的發(fā)電量等日常運行數(shù)據(jù),短路、孤島等故障數(shù)據(jù),環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù),并通過以太網(wǎng)和協(xié)議轉換器與全廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)通信,實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

2 效益分析

2.1 社會效益

電站每年可為電網(wǎng)提供80.85×104kWh電量,相當于每年可節(jié)約7 276.5 t標煤,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)濟效益

(1) 發(fā)電收入。發(fā)電容量全部用作廠內低壓側并網(wǎng)使用,則經(jīng)濟效益即為所發(fā)電量抵用同時段的工業(yè)用電支出。北京市1～10 kV普通工業(yè)用電價格:高峰期(8:00～11:00、18:00～23:00),電費為1.115 1元/kWh;平段(11:00～18:00、7:00～8:00),電費為0.773 5元/kWh。太陽能電池組件每天發(fā)電時間恰好在8:00～16:00,這樣該工程平均抵用電費約為0.875 6元/kWh。按照運營25 a、電費平均年漲幅2.5%計算,則年均發(fā)電收入約為97.80萬元。

(2) 補貼收入。根據(jù)指導意見的相關內容規(guī)定,該項目生產(chǎn)前三年按照1元/kWh的標準計算補貼收入。

3 結 語

(1) 污水廠可利用的有效面積很大,且用電負荷穩(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)無需蓄電池儲能,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,既降低了運行成本,又提高了運行和供電的穩(wěn)定性。

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

(4) 當?shù)蛪号潆娋W(wǎng)中接入不超過總用電負荷15%～20%的光伏發(fā)電系統(tǒng)時,不需要對電網(wǎng)進行任何改造,也不存在電力送出(逆流)和電網(wǎng)能力的問題,對于電網(wǎng)公司僅僅是負荷管理。

(5) 在計算頂棚面積時要留有足夠的池面,供陽光照射,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,還要克服場地小、不宜使用大型起吊設備帶來的安裝困難。所以,在新建項目之際,要考慮光伏發(fā)電工程,留有足夠荷載和安裝空間。

[1] 趙爭鳴,劉政建,孫曉英,等.太陽能光伏發(fā)電及其應用[M].北京:科學出版社,2005.

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

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[5] 污水處理車間太陽能光電建筑應用示范項目可行性研究報告[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,高級工程師,從事工業(yè)和民用電氣自動化和電力系統(tǒng)方面的研究。

2015-01-20

TM 615+.2

B

1674-8417(2015)04-0024-04