談光伏發(fā)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(guī)模的變化為城市生活污水排放帶來了嚴峻的形式形勢，據(jù)住建部統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全國累計建成城市污水處理廠5000多座(不含鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠和工業(yè))，污水處理能力達2.1億立方米/日。據(jù)業(yè)內(nèi)專業(yè)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(guī)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(yè)可持續(xù)發(fā)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(jù)氣象部門的調(diào)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(qū)，年日照小時數(shù)＞3000h，這是由于這些地區(qū)位于內(nèi)陸，全年氣候干旱、云量稀少所致；此線以東地區(qū)（即我國東北、華北、長江中下游地區(qū)）以四川最小，由此向南、北增加，廣東沿海較大；內(nèi)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(qū)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(fā)、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(qū)和城鎮(zhèn)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(nèi)建、構筑物分散，可充分利用生物池、調(diào)節(jié)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(fā)電系統(tǒng)規(guī)模，充分利用太陽能資源。本文以光伏發(fā)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(fā)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(jié)能減排目標。由于經(jīng)濟全球化進程加快給中國帶來資源環(huán)境新挑戰(zhàn)，能源問題已引起黨中央、國務院的高度重視，提出把節(jié)約資源作為基本國策?！笆奈濉碧岢鑫覈?030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和。但我國是發(fā)展中國家，正處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程快速發(fā)展的階段，同時又處于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型期，傳統(tǒng)的粗放型增長方式加劇了資源消耗，因此節(jié)能減排任務艱巨，需要全社會共同努力，大力發(fā)展新能源發(fā)電和綜合能源也將成為實現(xiàn)未來“3060”碳目標的主要方式。

推廣太陽能利用、推進光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展。雖然我國在太陽能應用和技術產(chǎn)品開發(fā)方面已取得較大成就，但受技術經(jīng)濟發(fā)展水平的限制，目前太陽能光伏產(chǎn)品并沒有走進千家萬戶：如太陽能產(chǎn)品的使用受天氣因素影響較大；太陽能發(fā)電裝置造價昂貴，每千瓦的平均成本偏高等。但在常規(guī)能源短缺已成為制約我國經(jīng)濟發(fā)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(fā)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(chǎn)業(yè)發(fā)展是十分必要的。

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

光伏發(fā)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(fā)電與建筑結合、安裝在屋頂或屋面上，不需要額外占地，節(jié)省了土地資源；光伏發(fā)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(fā)電項目定位于“低碳、生態(tài)、環(huán)?！钡木G色建筑理念，通過光伏發(fā)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(fā)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(nóng)村污水生物處置光伏發(fā)電，農(nóng)村一般的建造都是政府投資的，但運行是需農(nóng)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(fā)電有占地面積的優(yōu)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(zhuǎn)化效率提高，成本會降低，還有產(chǎn)業(yè)政策經(jīng)濟政策也會促動。

天津營城的污水處理廠建太陽能發(fā)電設備1100千瓦，產(chǎn)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(xiàn)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(nóng)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(huán)境條件

集控運行系統(tǒng)也被稱之為集教控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)大多會應用于大型工業(yè)生產(chǎn)專業(yè)。目前集控運行技術會充分融合高科技技術，達到對生產(chǎn)可展開統(tǒng)一控制。目前現(xiàn)代工業(yè)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?，F(xiàn)代集控系統(tǒng)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(chǎn)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(jù)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(chǎn)效率。

集控運行系統(tǒng)需要較好的環(huán)境條件給與支持，其中包含外部環(huán)境以及內(nèi)部環(huán)境，尤其是在外部環(huán)境中還需具備更多有限的條件，例如計算機控制系統(tǒng)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(tǒng)安全運行有很大的關系，尤其是在組裝及調(diào)控時，會出現(xiàn)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(nèi)容有：光伏發(fā)電廠中最多的設備就是發(fā)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(tǒng)。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(xiàn)不良信號，促使獲取錯誤的信息；電源供電模式如果出現(xiàn)問題，會影響集控系統(tǒng)的環(huán)境，集控系統(tǒng)無法發(fā)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(tǒng)一的空調(diào)系統(tǒng)，同時對于室內(nèi)的溫度、濕度需要及時進行調(diào)節(jié)，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(xiàn)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(xiàn)水珠，所以很容易出現(xiàn)短路。

3 光伏發(fā)電廠集控系統(tǒng)運行模式的構建

為了使光伏發(fā)電廠能夠正常的運行，首先在各方面都要有完整的系統(tǒng)及較好的管理體系。所以集控系統(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)結構很容易出現(xiàn)錯誤的設計，會導致微處理器出現(xiàn)故障，同時也會導致系統(tǒng)出現(xiàn)很嚴重的故障。微處理器根據(jù)環(huán)境的不同也會展開不同的控制性能，尤其是根據(jù)設備的結構以及軟件形式去實現(xiàn)不同的功能，根據(jù)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(xiàn)故障時整個系統(tǒng)都會受到影響，然而集中控制系統(tǒng)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(tǒng)中的一個部分或是計算機出現(xiàn)了故障，如沒有進行在線更換、對于此系統(tǒng)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(tǒng)目前的組成比較老式，所以還會采取較為傳統(tǒng)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(chǎn)生，如分散故障能夠得到處理，會減輕故障的發(fā)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(zhì)，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(xiàn)通訊系統(tǒng)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(tǒng)也已具備高速傳輸數(shù)據(jù)的能力，本系統(tǒng)主要與高速通訊網(wǎng)絡接口共同展開工作，可做到多系統(tǒng)控制。充分采用高速數(shù)據(jù)傳輸，可為控制器以及監(jiān)控計算器提供適當?shù)闹С郑瑥亩_到協(xié)調(diào)控制的目的。集中控制系統(tǒng)需要通過微處理器才可以不斷地發(fā)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?；痣姀S在實際生產(chǎn)中首先要對軟件工程重視起來，要避免工作人員對發(fā)電機組的狀態(tài)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(tǒng)進行管理

集中控制系統(tǒng)的軟件及硬件共同組成了控制系統(tǒng)，如果某個控制系統(tǒng)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題，對于整個控制系統(tǒng)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(tǒng)，在管理時首先應采用計算機系統(tǒng)的特性，充分展開工作。

3.5 “光伏+水務”成功融合，實現(xiàn)企業(yè)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(yè)可持續(xù)發(fā)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(xiàn)光伏發(fā)電全覆蓋，每年發(fā)電量可達150萬度，每年節(jié)省電量20%左右。俯瞰武漢江夏污水處理廠，廠區(qū)內(nèi)屋頂、沉淀池、生化池上布滿光伏發(fā)電板，正在靜悄悄地將太陽能轉(zhuǎn)為電能。除能發(fā)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(nèi)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(fā)電項目正式并網(wǎng)發(fā)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(qū)土地的空間。據(jù)2017年數(shù)據(jù)顯示，30個月該分布式光伏項目共發(fā)電2300萬千瓦時，相當于減少標煤消耗8280噸。其中2016年發(fā)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(jié)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(fā)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(fā)電項目正式并網(wǎng)發(fā)電，該項目利用廠區(qū)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(fā)自用、余電上網(wǎng)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(fā)展越來越快，所以也體現(xiàn)出了環(huán)境及其他種種問題，但是在眾多問題中環(huán)境問題是重中之重，需要引起高度重視，尤其是環(huán)境會導致城市規(guī)劃速度變慢。大量的污水出現(xiàn)已經(jīng)影響到社會的發(fā)展，所以對于生活污水要重視，同時還需要重視環(huán)境保護，要具備較強的環(huán)保意識。利用污水廠進行發(fā)電，不僅節(jié)省能源、同時還可將廢物利用。全社會共同努力加強環(huán)境建設，用合理的方式處理污水、改變生存環(huán)境，為大眾、為社會打造綠色環(huán)保的生活環(huán)境。