谈光伏发电在污水厂的应用

中国市政工程华北设计研究总院有限公司 李保泽 王 瑜

城市规模的变化为城市生活污水排放带来了严峻的形式形势，据住建部统计数据，全国累计建成城市污水处理厂5000多座(不含乡镇污水处理厂和工业)，污水处理能力达2.1亿立方米/日。据业内专业人士测算，按每个污水厂平均可建设5MW 光伏容量预估，目前我国污水厂可建设光伏电站的规模将超25GW，潜在市场广阔。穿上了光伏外衣的污水厂不仅能处理污水，而且还能促进污水处理企业可持续发展，为减碳之路贡献力量。

我国的太阳能资源十分丰富，陆地表面每年接收的太阳能相当于17000亿吨标准煤。根据气象部门的调查、测算：我国太阳能年总辐射量最大值在青藏高原，高达10100MJ/m2，最小值在四川盆地，仅3300MJ/m2。从大兴安岭南麓向西南穿过河套，向南沿青藏高原东侧直至西藏南部，形成一条等值线。此线以西为太阳能丰富地区，年日照小时数＞3000h，这是由于这些地区位于内陆，全年气候干旱、云量稀少所致；此线以东地区（即我国东北、华北、长江中下游地区）以四川最小，由此向南、北增加，广东沿海较大；内蒙古东部、华北较大，至东北北部又趋减小。由于丰富和较丰富区占国土面积2/3以上，因而我国是一个太阳能源丰富的国家，开发、利用前景较好[1]。

从城市污水排放能够看出，目前存在着众多问题。例如，污水处理厂一般都建在市区和城镇的周边，周围很少有高大建筑物或离高大建筑物较远，太阳光利用率高。污水厂内建、构筑物分散，可充分利用生物池、调节池、二沉池、初沉池、滤池等池顶以及鼓风机房、脱水机房、综合楼、综合处理车间等建筑物屋顶进行光伏组件的安装，可利用空间大，能保证光伏发电系统规模，充分利用太阳能资源。本文以光伏发电在污水厂中的实际应用以及遇到的问题进行深入的剖析，并提出了有效的整改措施。

1 光伏发电的应用前景及在污水处理厂的实施性

响应国家号召，支持政府完成“十四五”节能减排目标。由于经济全球化进程加快给中国带来资源环境新挑战，能源问题已引起党中央、国务院的高度重视，提出把节约资源作为基本国策。“十四五”提出我国2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。但我国是发展中国家，正处于工业化、城镇化进程快速发展的阶段，同时又处于产业转型期，传统的粗放型增长方式加剧了资源消耗，因此节能减排任务艰巨，需要全社会共同努力，大力发展新能源发电和综合能源也将成为实现未来“3060”碳目标的主要方式。

推广太阳能利用、推进光伏产业发展。虽然我国在太阳能应用和技术产品开发方面已取得较大成就，但受技术经济发展水平的限制，目前太阳能光伏产品并没有走进千家万户：如太阳能产品的使用受天气因素影响较大；太阳能发电装置造价昂贵，每千瓦的平均成本偏高等。但在常规能源短缺已成为制约我国经济发展瓶颈的今天，清洁、无穷的太阳能利用应有更大空间，太阳能光伏发电也有更大的市场潜力可挖，因此实施本工程对推广太阳能利用、推进光伏产业发展是十分必要的。

促进光伏建筑一体化以及绿色建筑的发展。太阳能光伏发电技术已日趋成熟，可以说是最具可持续发展的可再生能源技术之一。在今后的很长一段时间内，太阳光伏发电市场将会有很好的发展前景，尤其是并网型光伏发电系统。

光伏发电如与建筑结合将可有效减少建筑能耗（约占总能耗的三分之一）。光伏发电与建筑结合、安装在屋顶或屋面上，不需要额外占地，节省了土地资源；光伏发电没有噪声、没有排放、不消耗任何燃料，不会给生活带来任何不便。本发电项目定位于“低碳、生态、环保”的绿色建筑理念，通过光伏发电工程的建设将有利于促进光伏建筑一体化和绿色建筑的发展[2]。

目前在太阳能在污水处理市场的应用领域光伏是两个用途：一是大型污水处理厂的生物池，分散型农村污水生物处置光伏发电，农村一般的建造都是政府投资的，但运行是需农村自己承担，所以需要运行成本越低越好，个也是我用的非常多的。光热式大型消化器是需要加热的，还有污泥干化需要消耗大量的热能。大型的污水理厂生物池盖板光伏发电有占地面积的优势，降低运行能耗需求，还有可结合污水厂除臭功能同步进行，太阳能电池的光电转化效率提高，成本会降低，还有产业政策经济政策也会促动。

天津营城的污水处理厂建太阳能发电设备1100千瓦，产电可占污水处理厂用电的20%，是在池子上面建设太阳能盖板。现在全国用电的一吨水里用电大概0.3度电左右，但电费大概是4毛钱到8毛钱一度，首先农村全部自来水普及没有那么多，虽然一次性投资是政府来投资，但也需要一个成本非常低的、能用太阳能供电的渠道，这样基本上就没有运行的电费。

2 集控运行技术的环境条件

集控运行系统也被称之为集教控制系统，这种系统大多会应用于大型工业生产专业。目前集控运行技术会充分融合高科技技术，达到对生产可展开统一控制。目前现代工业所使用的流水线一般会融合自动化以及集成化，其实这都是集控技术，但属于被淘汰的一种技术。现代集控系统在工作时主要是依靠处理器，可将通讯技术、计算机技术以及控制技术相结合，对于火电厂在生产时的具体操控可使用。集控运行技术提升自动化进程，管理技术主要根据火电厂的具体情况而定，要有较完善的管理方案，适当提高生产效率。

集控运行系统需要较好的环境条件给与支持，其中包含外部环境以及内部环境，尤其是在外部环境中还需具备更多有限的条件，例如计算机控制系统以及控制室等都会给予相应的支持。设备的好与坏其实与系统安全运行有很大的关系，尤其是在组装及调控时，会出现一些额外的因素对其进行干扰。然而很多工作人员会将这些忽略。

但其中不可忽略的重点内容有：光伏发电厂中最多的设备就是发电机组，然而对其需要进行集中控制，并且还要建立完善的系统。对存在安全隐患以及过多干扰的设备，会导致在运行中出现不良信号，促使获取错误的信息；电源供电模式如果出现问题，会影响集控系统的环境，集控系统无法发挥出真正的作用；电子室以及控制室要安装制冷设备，需要具备统一的空调系统，同时对于室内的温度、湿度需要及时进行调节，由于在中国南方与北方有很大的气候差异，所以也要将其影响因素充分考虑。尤其是在北方的冬天气候非常干燥，因而很容易出现静电离子。南方气温比较温和、空气中湿度比较大，但是电路板上会容易出现水珠，所以很容易出现短路。

3 光伏发电厂集控系统运行模式的构建

为了使光伏发电厂能够正常的运行，首先在各方面都要有完整的系统及较好的管理体系。所以集控系统想要获得正常的运行，首先要对其构建较为完善的体系。

3.1 分散控制模式

分散控制可对每一个设备分别控制，集中控制会产生故障集中，这也是集中控制的最大缺点。故障比较分散，主要是由于集中控制系统对微处理器进行分析，将控制功能均匀的分散给每一台微处理器。这种系统结构很容易出现错误的设计，会导致微处理器出现故障，同时也会导致系统出现很严重的故障。微处理器根据环境的不同也会展开不同的控制性能，尤其是根据设备的结构以及软件形式去实现不同的功能，根据计算机所具备的可靠性，在控制器上可对每一个微处理器展开控制，可独立完成任务。

微处理器在出现故障时整个系统都会受到影响，然而集中控制系统会充分融合计算机技术，对于处理速度也会有较大的提升。系统中的一个部分或是计算机出现了故障，如没有进行在线更换、对于此系统也不会造成干扰，分散控制功能可及时处理分散故障。

另外集控运行系统目前的组成比较老式，所以还会采取较为传统的一票控制，对控制器进行安装时，要避免不必要的输入以及输出，要避免电线过长，同时也要避免信号在传输时受到一定的干扰。多功能控制器以及微处理器在分担任务时，同时也会有很多的故障产生，如分散故障能够得到处理，会减轻故障的发生。

3.2 等级化的控制模式

电厂集控运行技术目前已具备较完善的管理形式，但也具备阶梯性的特点。目前的技术管理形式已具备等级化，尤其是技术管理工作需要不断的细化，这样才能够提升技术管理，同时也能够提升科学化水准。相关技术人员要具备较高的素质，对于设备能够及时进行控制，同时控制也分为层次，要按照整个集控管理局面进行技术化管理。

3.3 实现通讯系统的综合控制

电厂在实际工作中其实有很多的要求，并且对于很多设备可即时进行控制，目前通讯系统也已具备高速传输数据的能力，本系统主要与高速通讯网络接口共同展开工作，可做到多系统控制。充分采用高速数据传输，可为控制器以及监控计算器提供适当的支持，从而达到协调控制的目的。集中控制系统需要通过微处理器才可以不断地发展，同时可以具备较高的安全性能，也可以具备较强的储存量。火电厂在实际生产中首先要对软件工程重视起来，要避免工作人员对发电机组的状态随意进行改变，从而影响到控制工作。管理硬件的时候也要管理软件，这两点是不可松懈的。

3.4 对控制系统进行管理

集中控制系统的软件及硬件共同组成了控制系统，如果某个控制系统环节出现了问题，对于整个控制系统来讲会有很大的影响，导致其无法正常工作，例如跳闸、设备损坏等情况。对于控制系统，在管理时首先应采用计算机系统的特性，充分展开工作。

3.5 “光伏+水务”成功融合，实现企业降本增效

穿上了光伏外衣的污水厂不仅能处理污水，还能促进污水处理企业可持续发展，为减碳之路贡献力量。2018年6月，武汉江夏污水处理厂实现光伏发电全覆盖，每年发电量可达150万度，每年节省电量20%左右。俯瞰武汉江夏污水处理厂，厂区内屋顶、沉淀池、生化池上布满光伏发电板，正在静悄悄地将太阳能转为电能。除能发电外，污水厂上的光伏板能遮挡直射水池的太阳光，有效抑制了池内的绿藻生长。

2014年12月，位于江苏省扬州市的洁源污水处理厂分布式光伏发电项目正式并网发电，总装机容量为9.7MW，该项目在扬州市汤汪、六圩、自来水公司第一水厂等3个污水处理厂的池体上方共铺设了9.8万平米光伏板，最大程度地利用了自身厂区土地的空间。据2017年数据显示，30个月该分布式光伏项目共发电2300万千瓦时，相当于减少标煤消耗8280吨。其中2016年发电量达1000万千瓦时，相当于年耗电量的近4成。同燃煤火电站相比，每年可为国家节约标准煤3180吨、减少二氧化硫排放量298吨、二氧化氮28.3吨，减少温室气体二氧化碳排放量为8608.6吨。

2018年8月，安徽首座污水处理厂光伏发电项目、位于安徽省合肥市的王小郢污水处理厂分布式光伏发电项目正式并网发电，该项目利用厂区氧化沟和沉淀池上方空间排布光伏组件，装机容量达10.8MW，每年可提供约1200万度光伏电，采用自发自用、余电上网模式，其中90%以上可被污水处理厂就地消纳。

4 结语

城市化速度发展越来越快，所以也体现出了环境及其他种种问题，但是在众多问题中环境问题是重中之重，需要引起高度重视，尤其是环境会导致城市规划速度变慢。大量的污水出现已经影响到社会的发展，所以对于生活污水要重视，同时还需要重视环境保护，要具备较强的环保意识。利用污水厂进行发电，不仅节省能源、同时还可将废物利用。全社会共同努力加强环境建设，用合理的方式处理污水、改变生存环境，为大众、为社会打造绿色环保的生活环境。