淺析并網(wǎng)或光伏發(fā)電技術(shù)在地下污水廠的應(yīng)用

任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201800

摘要：結(jié)合工程案例，討論了在地下污水處理廠工程設(shè)計中，依據(jù)規(guī)劃，建筑、景觀設(shè)計，建設(shè)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，用于地下污水處理廠照明及通風(fēng)等系統(tǒng)供電的可行性。從系統(tǒng)的設(shè)計、計算、成本等方面介紹了并網(wǎng)光伏發(fā)電技術(shù)在該項目中的應(yīng)用，并對系統(tǒng)在類似項目中應(yīng)用存在的問題進行了分析。

關(guān)鍵詞：并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)；地下污水處理廠；效益分析

引言

污水處理作為能耗型行業(yè)，電能消耗是主要的能源消耗，其成本占其總成本的40％以上。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國城鎮(zhèn)污水處理年電耗已突破100億kW·h，其能耗量約占到社會總能耗量的2％。隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的加快，新增的污水量需要新建或改擴建污水處理廠，同時規(guī)劃等部門對污水處理廠工程節(jié)約土地資源提出了更高的要求。在“生態(tài)治污"理念的指導(dǎo)下，在土地資源相對緊缺的城鎮(zhèn)地區(qū)發(fā)展地下污水處理廠，成為城鎮(zhèn)新建污水處理設(shè)施發(fā)展的目標(biāo)。但是地下污水處理廠對通風(fēng)、照明等要求較高，照明及通風(fēng)設(shè)備折算到單位處理水量的能耗較高。經(jīng)實際工程測算，此部分能耗約占到地下污水處理廠總電耗的7％一10％，且該部分負(fù)荷在地下污水處理廠中需要系數(shù)遠(yuǎn)高于常規(guī)污水處理廠。所以在地下污水處理廠的工程設(shè)計中，如何降低地下式污水處理廠相對常規(guī)污水處理廠額外增加的運營成本，成為工程設(shè)計中一個須考慮的課題。

在方案設(shè)計階段，經(jīng)過多方案對比(光伏發(fā)電、光導(dǎo)照明等)，在本項目中，擬結(jié)合地上建(構(gòu))筑物及景觀設(shè)計，設(shè)置光伏方陣，建設(shè)光伏系統(tǒng)，實現(xiàn)光伏系統(tǒng)與污水廠地上建(構(gòu))筑物及景觀的有機結(jié)合，為地下空間照明、通風(fēng)等設(shè)備補充電源，有效利用污水處理廠地上空間，降低本項目的運營成本。

一、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

1工程概況

本工程根據(jù)規(guī)劃批復(fù)采用地下式污水處理廠建設(shè)方案，近期規(guī)模7．5萬m3／d，遠(yuǎn)期規(guī)模15萬m3／d，工程占地約68．8畝。規(guī)劃對本項目地上景觀的要求較高，但實際可利用的地上空間有限。項目地上景觀效果如圖1所示。

結(jié)合總圖布置及景觀要求，確定利用地上綜合樓屋頂進行光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合設(shè)計，光伏組件按照20串、4并連接方式進行方陣布局安裝。方陣結(jié)合總圖布置及景觀要求，確定利用地上綜合樓屋頂進行光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合設(shè)計，光伏組件按照20串、4并連接方式進行方陣布局安裝。方陣由架臺固定安裝后，平鋪固定在南向屋頂上。方陣的方位角為0°(朝向正南)，傾斜角為20°，其東西長度為33．19m，南北寬度為3．76m，總建筑面積約為125㎡。

2光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計計算

（1）負(fù)荷要求：

經(jīng)計算，本工程地下箱體部分照明負(fù)荷約48kW，通風(fēng)負(fù)荷約133kW。根據(jù)光伏方陣可實施的面積情況，確定地下箱體照明負(fù)荷為光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載。

1. 氣象地理數(shù)據(jù)：

由國家氣象局查找本次項目所在地區(qū)的多年氣象數(shù)據(jù)，如表1所示。

（3）系統(tǒng)設(shè)計系數(shù)：

根據(jù)以上氣象數(shù)據(jù)并結(jié)合現(xiàn)場的其他各種情況，設(shè)計的系統(tǒng)參數(shù)如下文所示。

①有關(guān)光伏電池設(shè)計方面的設(shè)計系數(shù)

1)光伏方陣組合損耗系數(shù)

光伏方陣組合損耗系數(shù)是組件在組合成方陣的過程中由于組件失配而引起的損耗。在進行組件配置時，要求電壓失配控制值為±2％，電流失配控制值為4-1％，功率失配控制值為4-1％。

2)環(huán)境系數(shù)

工程中并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)進行優(yōu)化安裝，使系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)達到好效果，環(huán)境系數(shù)取100％。

3)衰減系數(shù)

隨著使用時間的推移，光伏電池組件在紫外線照射引起物理反應(yīng)，發(fā)電量會有所衰減。選用的組件10年實際衰減率≤10％。

②有關(guān)系統(tǒng)運行和安全方面的設(shè)計系數(shù)

1)系統(tǒng)供電可用率99．99％以上。

2)平均wu故障時間MTBF>100000h。

3)光伏電池支架風(fēng)力系數(shù)30m／s。

4)電壓電流回路安全系數(shù)≥1．5。

5)設(shè)備容量安全系數(shù)低值為120％。

③系統(tǒng)發(fā)電量統(tǒng)計

系統(tǒng)發(fā)電量統(tǒng)計如表2所示。

3并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

本工程中，有公共電網(wǎng)的正常情況下，在晴朗的白天由光伏方陣產(chǎn)生電能，然后經(jīng)過并網(wǎng)發(fā)電用功率調(diào)節(jié)器控制，輸出給光伏能系統(tǒng)與電網(wǎng)并網(wǎng)點的用電負(fù)荷——污水廠地下空間照明。本工程中因地下空間照明負(fù)荷消耗的功率一般情況下大于電池方陣的發(fā)電功率，所以此時照明設(shè)備所消耗的功率雖然由電池方陣和電網(wǎng)同時提供，但優(yōu)先使用光伏電池方陣所產(chǎn)生的電能。在特殊情況下，如污水處理廠地下空間照明采用特殊場景組合方式，在某些特定場景下，光伏電池方陣的發(fā)電功率大于照明設(shè)備消耗功率，則將剩余電量上送到公共電網(wǎng)，然后通過電網(wǎng)給電網(wǎng)上的其他用電負(fù)荷設(shè)備供電。

地下污水處理廠按照二級負(fù)荷設(shè)計，且對包括地下空間照明負(fù)荷在內(nèi)的重要負(fù)荷已考慮備用電源，因此本工程的太陽能系統(tǒng)一般不會出現(xiàn)“孤島效應(yīng)"。但為預(yù)防意外，采用過／欠壓、過／欠頻保護方案：如果并網(wǎng)逆變器輸出功率(有功功率、無功功率)與負(fù)載需求功率不匹配，電壓或頻率將產(chǎn)生偏移，一旦超出正常范圍，此時可以利用系統(tǒng)軟硬件所規(guī)定的電網(wǎng)電壓的過(欠)電壓保護設(shè)置點及過(欠)頻率保護設(shè)置點來進行檢測，將逆變器并網(wǎng)開關(guān)跳閘，逆變器就將停止運行，從而防止孤島的產(chǎn)生。

4計算機數(shù)據(jù)采集裝置

為直觀地展示光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行，凸顯清潔能源的有效利用，項目設(shè)計了光伏發(fā)電系統(tǒng)的計算機數(shù)據(jù)采集裝置。裝置通過RS485接口連接功率調(diào)節(jié)器，并將所采集的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理，形成圖形顯示界面和數(shù)據(jù)表格形式，并計算統(tǒng)計每天、每月、每年的各種參數(shù)數(shù)據(jù)的分項數(shù)據(jù)和匯總數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)曲線圖表的形式進行存儲。

5效益分析

（1）社會效益

本項目并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)每年的發(fā)電量約15×10³kW．h，相當(dāng)于每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤5．4t，減少CO₂的排放量約為12．2t，SO₂的排放量約為0．135t，減少氮氧化物的排放量約為0．066t。

（2）經(jīng)濟效益

本工程光伏發(fā)電系統(tǒng)每日的工作時間在白天高峰時段，按照項目地區(qū)平均電費1．1元／kWh，在不考慮電價上漲、國家及地方補貼的情況下，測算本項目的年節(jié)約電費約16．5萬元，靜態(tài)投資回收期約3年。

二、安科瑞分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)

1概述

AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺通過監(jiān)測光伏站點的逆變器設(shè)備，氣象設(shè)備以及攝像頭設(shè)備、幫助用戶管理分散在各地的光伏站點。主要功能包括：站點監(jiān)測，逆變器監(jiān)測，發(fā)電統(tǒng)計，逆變器一次圖，操作日志，告警信息，環(huán)境監(jiān)測，設(shè)備檔案，運維管理，角色管理。用戶可通過WEB端以及APP端訪問平臺，及時掌握光伏發(fā)電效率和發(fā)電收益。

2應(yīng)用場所

目前我國的兩種分布式應(yīng)用場景分別是：廣大農(nóng)村屋頂?shù)膽粲霉夥凸ど虡I(yè)企業(yè)屋頂光伏，這兩類分布式光伏電站今年都發(fā)展迅速。

3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在光伏變電站安裝逆變器、以及多功能電力計量儀表，通過網(wǎng)關(guān)將采集的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，并將數(shù)據(jù)進行集中存儲管理。用戶可以通過PC訪問平臺，及時獲取分布式光伏電站的運行情況以及各逆變器運行狀況。平臺整體結(jié)構(gòu)如圖所示。

4系統(tǒng)功能

AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺軟件采用B/S架構(gòu)，任何具備權(quán)限的用戶都可以通過WEB瀏覽器根據(jù)權(quán)限范圍監(jiān)視分布在區(qū)域內(nèi)各建筑的光伏電站的運行狀態(tài)（如電站地理分布、電站信息、逆變器狀態(tài)、發(fā)電功率曲線、是否并網(wǎng)、當(dāng)前發(fā)電量、總發(fā)電量等信息）。

（1）光伏發(fā)電綜合看板

●顯示所有光伏電站的數(shù)量，裝機容量，實時發(fā)電功率。

●累計日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益。

●累計社會效益。

●柱狀圖展示月發(fā)電量

（2）電站狀態(tài)

●電站狀態(tài)展示當(dāng)前光伏電站發(fā)電功率，補貼電價，峰值功率等基本參數(shù)。

●統(tǒng)計當(dāng)前光伏電站的日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益。

●攝像頭實時監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境，并且接入輻照度、溫濕度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)。

●顯示當(dāng)前光伏電站逆變器接入數(shù)量及基本參數(shù)。

（3）逆變器狀態(tài)

●逆變器基本參數(shù)顯示。

●日、月、年發(fā)電量及發(fā)電收益顯示。

●通過曲線圖顯示逆變器功率、環(huán)境輻照度曲線。

●直流側(cè)電壓電流查詢。

●交流電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數(shù)查詢。

（4）電站發(fā)電統(tǒng)計

●展示所選電站的時、日、月、年發(fā)電量統(tǒng)計報表。

（5）逆變器發(fā)電統(tǒng)計

●展示所選逆變器的時、日、月、年發(fā)電量統(tǒng)計報表

（6）配電圖

●實時展示逆變器交、直流側(cè)的數(shù)據(jù)。

●展示當(dāng)前逆變器接入組件數(shù)量。

●展示當(dāng)前輻照度、溫濕度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)。

●展示逆變器型號及廠商。

（7）逆變器曲線分析

●展示交、直流側(cè)電壓、功率、輻照度、溫度曲線。

（8）事件記錄

●操作日志：用戶登錄情況查詢。

●短信日志：查詢短信推送時間、內(nèi)容、發(fā)送結(jié)果、回復(fù)等。

●平臺運行日志：查看儀表、網(wǎng)關(guān)離線狀況。

●報警信息：將報警分進行分級處理，記錄報警內(nèi)容，發(fā)生時間以及確認(rèn)狀態(tài)。

（9）運行環(huán)境

●視頻監(jiān)控：通過安裝在現(xiàn)場的視頻攝像頭，可以實時監(jiān)視光伏站運行情況。對于有硬件條件的攝像頭，還支持錄像回放以及云臺控制功能。

三、結(jié)語

地下污水處理廠相對常規(guī)污水處理廠雖然增加了地下空間照明及通風(fēng)負(fù)荷，單采用光伏發(fā)電技術(shù)作為補充電源是可行的。且因為在地下污水處理廠中這部分負(fù)荷是常用負(fù)荷，光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能可以即發(fā)即用，無需考慮儲能裝置，簡化了系統(tǒng)配置，避免了廢舊蓄電池的回收及污染問題。

地下污水處理廠受項目總體規(guī)劃、地上建筑、景觀設(shè)計等限制，大規(guī)模利用地上空間建設(shè)光伏方陣較為困難，需在確定負(fù)荷需求后，結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量，合理設(shè)計配電及并網(wǎng)系統(tǒng)。如果要在地下污水處理廠實現(xiàn)建筑光伏一體化，要在項目前期報規(guī)階段提前介入，結(jié)合地上建筑功能及建筑、結(jié)構(gòu)等專業(yè)，確定光伏發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)。

近年來隨著光伏發(fā)電技術(shù)的成熟、成本的降低，光伏發(fā)電系統(tǒng)在污水處理廠中的應(yīng)用逐漸增加，大規(guī)模應(yīng)用的成功案例也時有報道，但是在地下污水處理廠建設(shè)中，較大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)的案例較少，筆者認(rèn)為，主要是受地下污水處理廠的規(guī)劃、總平、景觀、可有效利用空間等條件限制。要在地下污水處理廠實現(xiàn)可再生能源的有效利用，在實現(xiàn)污水處理的同時，有效地降低地下污水處理廠相對常規(guī)污水處理廠增加的電能消耗和運營成本，需要行業(yè)設(shè)計師從多角度去進行研究、分析與設(shè)計。本文結(jié)合工程實例進行的分析僅做拋磚引玉，不妥之處還望指正。

參考文獻

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作者簡介

任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究智能配電在水利行業(yè)的應(yīng)用。