劉 揚，熊 駿

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

污水處理廠在處理污水的過程中，需要使用大量的能源，其屬于能耗類型的產(chǎn)業(yè)。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(fā)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(jié)約用地的規(guī)定。因此，在城市地下建設污水處理廠，成為現(xiàn)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(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(jù)對現(xiàn)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(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作資金，成了工程規(guī)劃過程中需要兼顧的一個內(nèi)容。在該項目規(guī)劃的過程中，通過對許多措施進行比較，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(xiàn)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(guī)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(fā)電系統(tǒng)，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(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)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(fā)電系統(tǒng)進行規(guī)劃，安裝相關(guān)的頂棚。②應用先進的光伏發(fā)電技術(shù)進行建設，應用相關(guān)的防護方案進行防護，確保光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠順利運行，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，降低電能傳輸過程中的損失。④建設能夠?qū)崟r反映光伏發(fā)電系統(tǒng)運作參數(shù)的系統(tǒng)，促進電力的合理分配。

2.2 結(jié)構(gòu)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(guān)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(nèi)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(zhì)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(nèi)溫度高于12℃，使池內(nèi)微生物可以快速繁殖。通過對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)污水不會結(jié)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(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）進行頂棚的建設，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)域運用鋼鐵進行架構(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）進行頂棚建設。同時，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)的維修設備與相關(guān)的設施。在曝氣池的東西方向，建設相關(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)設計計算

2.3.1 負荷需求

通過相關(guān)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(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的限時建設狀況，要確保光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能能滿足地下設施的運行。

2.3.2 系統(tǒng)設計系數(shù)

（1）光伏發(fā)電 系統(tǒng)太陽能光板的規(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)生的原因是因為在太陽能光板組合階段 由于相關(guān)的組件未按照科學的分配方式而產(chǎn)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(guān)的規(guī)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(fā)電系統(tǒng)安裝的環(huán)境數(shù)據(jù)。在光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝的過程中，要根據(jù)污水處理廠的環(huán)境情況，進行科學的規(guī)劃，使其達到最優(yōu)的目標。③光能發(fā)電系統(tǒng)運行過程中的衰減數(shù)據(jù)。由于隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)使用時間的增長，太陽能光板在紫外線的作用下會產(chǎn)生相應的物理反應，會降低太陽能光板的發(fā)電量。該項目應用的太陽能光板在規(guī)定的期限內(nèi)衰減率要小于10%。（2）光伏發(fā)電系統(tǒng)運作與系統(tǒng)安全防護的規(guī)劃數(shù)據(jù)。①要保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電率達到99.9%。②要保證光伏發(fā)電系統(tǒng)運行時間大于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)設施的安全數(shù)據(jù)最低值是1.2。

2.4 并網(wǎng)系統(tǒng)設計

在本項目中，在相關(guān)的電網(wǎng)能夠正常運作的條件下，白天可以通過光伏發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)電力，之后通過相關(guān)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(fā)電系統(tǒng)發(fā)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(fā)電系統(tǒng)與公共電網(wǎng)共同提供，但要先應用光伏發(fā)電系統(tǒng)所生產(chǎn)的電力，應用公共電網(wǎng)彌補電力的缺陷。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施與通風設施所使用的電能時，可以將剩余的電能傳輸?shù)较嚓P(guān)電網(wǎng)，之后經(jīng)過電網(wǎng)為其他設施提供電能。地下污水廠要依據(jù)相關(guān)的規(guī)定，進行二級載荷規(guī)劃，兼顧相關(guān)的電能。所以本項目的光伏發(fā)電系統(tǒng)在通常情況下不會產(chǎn)生電力供應不足的情況。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)設施的需求或者產(chǎn)生的電能高于平常界限時，可以運用相關(guān)的系統(tǒng)對其進行控制，對傳輸電流進行監(jiān)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(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)的運行

為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生能源的高效運用，該工程設置了相關(guān)的計算機系數(shù)搜集設備。該設備經(jīng)過連接相關(guān)的功率調(diào)節(jié)設備，對搜集到的相關(guān)系數(shù)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(fā)電系統(tǒng)各個階段的系數(shù)，并進行儲存。

2.6 電氣設計

光伏發(fā)電系統(tǒng)中太陽能光板串聯(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)見表1；逆變器參數(shù)見表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

與常規(guī)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(fā)電系統(tǒng)彌補地下污水處理廠相關(guān)設施的能源需求?，F(xiàn)階段伴隨我國光伏發(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的過程中都大范圍應用了光伏發(fā)電系統(tǒng)。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(fā)電系統(tǒng)不能大規(guī)模的建設。要想促進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)劃工作者進行實際的規(guī)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。