并网光伏发电系统在污水处理厂中的应用

2015-03-22中国市政工程华北设计研究总院有限公司天津300074

现代建筑电气 2015年4期

言穆昀(中国市政工程华北设计研究总院有限公司, 天津 300074)

并网光伏发电系统在污水处理厂中的应用

言穆昀
(中国市政工程华北设计研究总院有限公司, 天津 300074)

介绍了北京市郊某污水处理厂并网光伏发电系统的设计。利用污水处理厂构筑物上方的有效空间,加装带有太阳能电池板的顶棚,建成不可调型集中并网光伏发电站,既满足了污水处理厂白天用电高峰期时的电力供应,又在一定程度上控制了污水池的蒸发量和温度,提高了污水处理能力。

并网光伏发电; 污水处理厂; 电池组件; 并网逆变器

0 引言

北京市发展和改革委员会发布的京政发[2009]43号《北京市加快太阳能开发利用促进产业发展指导意见》(简称指导意见)提出,在全市范围内的污水处理厂中积极倡导推广与建筑结合的太阳能顶棚光伏发电项目。合理利用污水处理厂中构筑物上方有效空间,建设光伏建筑一体化工程,是市政企业应尽的责任。

本文介绍了光伏发电系统在北京市郊某污水处理厂中的应用,分析了利用综合生化池顶棚建成并网光伏电站的设计思路。

1 光伏发电系统设计

1.1 设计原则

(1) 在满足污水处理工艺的前提下,合理加设顶棚。

(2) 并网逆变设备技术成熟,同时结合完善的保护措施,保证光伏系统供电可靠,并输出高品质的电能。

(3) 就近并网供电,以减少系统损耗。

(4) 在厂综合楼前设置显示光伏电站整体运行数据的屏幕,以展示绿色能源的有效利用。

1.2 系统设计

该污水处理厂用电计算负荷约为525 kW,年耗电量约为460×104kWh。根据污水处理厂中构筑物可利用的顶棚面积、太阳能电池板总面积、年平均太阳辐射总量、光电转换效率等参数,计算得到光伏组件总装机容量为674 kWp,共有2 487片136 Wp非晶柔性薄膜电池组件(简称非晶电池组件)和1 460片230 Wp多晶硅电池组件(简称多晶电池组件)被固定在综合生化池新建的顶棚结构上。光伏发电系统年均发电量为80.85×104kWh,日均发电量为2 215 kWh,约为污水处理厂日耗电量的17.6%,所发电量供污水处理厂低压负荷使用,差额部分由市网提供。按电池组件25 a的使用年限计,其总发电量可达2 021.25×104kWh。

1.3 结构设计

顶棚光伏阵列布置图如图1所示。采用加设顶棚的方式,将综合生化池北侧澄清池上端空间及水池周边延伸场地改造为污水处理车间,面积为13 940 m2。

污泥池和曝气池的水温低于12 ℃时,污泥活性明显下降,直接影响污水处理效果。所以,污泥池和曝气池上方不设置顶棚,以便阳光直接照射,提高池水温度,保证微生物的生长速度。

图1 顶棚光伏阵列布置图

澄清池是污水处理的出口处,比入口处水量减少5%,这是污水处理过程中池水蒸发所致。加设顶棚,可有效减少池水的蒸发量,特别是在冬季,可降低水池上方的北风风速,改善局部小环境,提高池水温度,显著增加污水处理能力。

综合生化池采用的是柔性池底技术,而澄清池上方采用索膜结构形式,平面铺设非晶柔性薄膜电池组件(第一组阵)作为顶棚建筑材料,使两种均具有柔性和轻质特性的建筑材料相得益彰,共同形成大跨度空间结构,改善了污水处理能力。污泥池和曝气池周边场地采用钢框架支撑体系,上面以34°向南倾角铺设多晶硅电池组件(第二组阵),形成硬质顶棚,供维修、备品备件堆放、停车、变配电设施等预留场地使用。

两座逆变器室分建于曝气池的两侧,位于光伏阵列的下方,每座逆变器室内装有2台150 kW逆变器和1台交流配电柜。

1.4 电气设计

太阳能电池组件串联的数量由逆变器的最高输入电压和最低工作电压及太阳能电池组件允许的最大系统电压确定;太阳能电池组件的并联数量由逆变器的额定容量确定。电池组件参数如表1所示。逆变器参数如表2所示。

表1 电池组件参数

由表1、表2参数计算得,非晶电池组件的安装容量为339 kWp,光伏阵列的效率取87.8%,输入逆变器的直流功率为298 kWp,需设置2台150 kW逆变器,每台并联接入的光伏组件路数为78路,每路由16个136 Wp电池组件串联而成。每16路电池串列接入1台16路直流汇流箱,共需5台。同样,多晶硅电池组件的安装容量为335 kWp,光伏阵列的效率取87.8%,输入逆变器的直流功率为295 kWp,需设置两台150 kW的逆变器,其中一台并联回路数为36路,另一台并联回路数为37路,每路组件串联的额定功率容量为230×20=4 600 Wp,需要直流汇流箱6台。

表2 逆变器参数

电气系统框图如图2所示。

图2 电气系统框图

太阳能电池阵列接入直流汇流箱进行汇流后,通过防雷器与断路器输出,经埋地电缆接入逆变器,输出50 Hz、380 V三相交流电,再由电缆引至污水处理厂现有的高低压变电所,接入低压母线侧实现并网。变电所380 V系统的主接线方式为单母线分段接线,两座逆变器室发出的电力分别接入两段母线上。

并网发电系统采用的并网逆变器具有相位和电压自动跟踪装置,能很好地配合电网相位和电压微小的波动,不会对电网造成影响。

本站无蓄电池储能设备,当阴雨天无太阳时,由电网供电给负荷。

1.5 监控设计

并网光伏发电系统配有数据采集和监测系统,由工业PC、监控软件、GPS装置、以太网通信装置、RS-485通信电缆等组成,实时显示和记录逆变器的发电量等日常运行数据,短路、孤岛等故障数据,环境监测数据,并通过以太网和协议转换器与全厂计算机监控系统通信,实现数据共享。

2 效益分析

2.1 社会效益

电站每年可为电网提供80.85×104kWh电量,相当于每年可节约7 276.5 t标煤,SO2、CO2、CO、NO2、烟尘排放量分别约减少82.06 t、21 257.8 t、1.94 t、84.7 t、99.2 t。

2.2 经济效益

(1) 发电收入。发电容量全部用作厂内低压侧并网使用,则经济效益即为所发电量抵用同时段的工业用电支出。北京市1～10 kV普通工业用电价格:高峰期(8:00～11:00、18:00～23:00),电费为1.115 1元/kWh;平段(11:00～18:00、7:00～8:00),电费为0.773 5元/kWh。太阳能电池组件每天发电时间恰好在8:00～16:00,这样该工程平均抵用电费约为0.875 6元/kWh。按照运营25 a、电费平均年涨幅2.5%计算,则年均发电收入约为97.80万元。

(2) 补贴收入。根据指导意见的相关内容规定,该项目生产前三年按照1元/kWh的标准计算补贴收入。

3 结语

(1) 污水厂可利用的有效面积很大,且用电负荷稳定,有利于推广自发自用式并网光伏发电系统。

(2) 并网光伏发电系统无需蓄电池储能,不仅减少了蓄电池的投资与损耗,也减少了处理废蓄电池产生的污染,既降低了运行成本,又提高了运行和供电的稳定性。

(3) 污水厂一旦停电,污泥中的微生物就会因缺氧而失去生物活性,导致出水不达标,故厂内需要双路供电。光伏电站发电稳定可靠,可作为备用电源使用。

(4) 当低压配电网中接入不超过总用电负荷15%～20%的光伏发电系统时,不需要对电网进行任何改造,也不存在电力送出(逆流)和电网能力的问题,对于电网公司仅仅是负荷管理。

(5) 在计算顶棚面积时要留有足够的池面,供阳光照射,以提高水温,保证微生物存活,这在北方尤为重要。

(6) 在已建成的综合生化池上加装带有太阳能电池板的顶棚,除了要克服荷载重、跨距大的困难,还要克服场地小、不宜使用大型起吊设备带来的安装困难。所以,在新建项目之际,要考虑光伏发电工程,留有足够荷载和安装空间。

[1] 赵争鸣,刘政建,孙晓英,等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京:科学出版社,2005.

[2] 许兰刚,刘世俊,林景祥.与景观结合的奥运森林公园并网光伏发电系统[J].中国能源,2008(6):39.

[3] 沈阳,朱先峰.光伏屋顶系统设计方法及效益分析[J].太阳能,2009(11):50-51.

[4] GB 50797—2012 光伏变电站设计规范[S].

[5] 污水处理车间太阳能光电建筑应用示范项目可行性研究报告[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