光伏发电系统在污水处理厂改造中的应用

李永康, 辛金营

(1.北京新锐电气有限公司, 北京 101100;2.沧县捷地回族乡中心校, 河北 沧州 061725)

0 引 言

按照生态环境部发布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(意见征求稿)的要求,某工业园区污水处理厂进行一级A标准的提升改造工作。由于工业园区中各企业的工艺流程不尽相同,造成各企业所排放的废水存在有毒有害物质品种杂、浓度高低不同、水体质量纷杂可生化性差等特点,因此在提标改造中选择电催化氧化技术作为深度处理方法。电催化氧化技术在使用的过程中需要耗费较多的电能。因此在污水处理厂提标改造阶段,选择了并网光伏发电与污水处理厂相结合的方案,该方案充分利用了污水处理厂的闲置空间,通过分布式发电系统降低了污水处理厂的运营成本。

1 工程概况

1.1 资源基础情况

该污水处理厂提标改造后处理规模为8 000 m3/d,占地面积约为30 000 m2,改造后工艺采用:粗细格栅+水解酸化池+调节池+生化+MBR系统+电催化氧化系统+滤布滤池。其工艺流程图如图1所示。

图1 工艺流程图

项目建设地点位于河北省沧州市吴桥县某工业园区,污水处理厂中心区域坐标为北纬37.540 6°,东经116.382 9°。本项目所使用的基础气象数据出自Meteonorm软件。吴桥县月度气象数据如表1所示。吴桥县属于暖温带半湿润大陆性季风气候,历年平均太阳能辐射总量为4 913.3 MJ/m2(1 364.9 kWh/m2)[1],属于太阳能资源较富带。该污水处理厂所在地光资源变动较小,适宜创建并网式光伏发电系统。

表1 吴桥县月度气象数据

1.2 项目规模

本项目拟建设在污水处理厂的建筑物屋顶以及部分水池的池顶,达到充分利用闲置空间资源的目的,并可以直接向污水处理厂供电。本项目规划装机容量为800 kWp,组件占地约为4 200 m2。

2 分布式光伏发电系统设计

2.1 光伏组件选型

光伏组件是光伏发电系统的核心部件,其技术性能和指标对整套系统的长期稳定运行至关重要,要求尽量选择转换效率高、使用寿命长、技术性能稳定的组件。本项目拟选用型号为TSM-DEG15M.20(Ⅱ)、功率为395 Wp的单晶硅电池组件。电池组件参数如表2所示。

表2 电池组件参数

并网逆变器的分类有微型逆变器、集中式逆变器和组串式逆变器。集中式逆变器占用空间大,需要专用的机房立式安装,而组串式逆变器采用模块化设计,可以选择壁挂式安装,在各种应用中可以简化施工、减少占地。与集中式逆变器相比,组串式逆变器最大功率点跟踪(MPPT)电压范围宽,具有多路MPPT输入、组件配置更为灵活的优点。当逆变器出现故障时,组串式逆变器只有一路组件停止发电,而集中式会造成整个分电站瘫痪。本项目拟选用华为SUN2000-36KTL-M3组串式逆变器。逆变器各项性能指标参数如表3所示。

表3 逆变器各项性能指标参数

2.2 光伏组件串的串联数

光伏组件串的串联数不仅与占地面积、系统容量息息相关,还受到逆变器参数的影响。根据GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》,光伏组件串的串联数计算公式如下[2]:

(1)

式中:N——光伏组件的串联数量;

t——光伏组件工作条件下的极限高温[3]。

(2)

式中:t′——光伏组件工作条件下的极限低温。

吴桥县历史极端最低温度为-19 ℃,夏天组件背板温度可达50 ℃。

根据式(1)和式(2)计算结果,综合考虑本项目情况后将光伏组件的串联数量确定为16,即将16块光伏组件串联为一个组串。

2.3 光伏组件的并联数

光伏组件的并联数量如下式所示:

(3)

式中:PZCmmp——光伏逆变器的最大输入功率。

由式(3)计算得出,光伏组件并联的数量为8串。

2.4 选型校验

(1) 容量匹配设计。光伏电池阵列功率与所接逆变器的功率容量相匹配。

光伏电池阵列功率=组件标称功率×组件串联数×组件并联数。

在容量设计中,逆变器的最大输入功率应近似等于光伏电池阵列的功率,考虑到光伏组件的灰尘损失以及电缆的欧姆损失,实际工程中可提高约10%的光伏阵列功率。该型逆变器的推荐最大输入直流功率为54 000 W,故容量匹配。

(2) 逆变器MPPT电压范围与电池组电压匹配。

电池阵列电压=电池组件电压×组件串联数。

本工程中电池阵列电压为641.6 V,此数值略大于逆变器满载MPPT电压范围500～800 V的中间值,能够达到MPPT的最优效果,跟踪效果良好[4]。

(3) 最大输入电流与电池组电流相匹配。

电池阵列最大输出电流=电池组件短路电流×并联数。

逆变器每路MPPT最大输入电流是26 A,光伏组件的短路电流是10.37 A,每路MPPT并联两路组件串,故逆变器的最大输入电流与电池阵列最大输出电流相匹配。

(4) 组件串的输出最大电压范围与逆变器最大直流电压相匹配。

光伏组件的开路电压主要受到温度的影响,其计算公式如下:

Voc(50 ℃)=Voc×[1+(t-25)×Kv]

(4)

Voc(-19 ℃)=Voc×[1+(t′-25)×Kv]

(5)

式中:Voc(50 ℃)——单晶硅电池在温度50 ℃时的开路电压;

Voc(-19 ℃)——单晶硅电池在温度-19 ℃时的开路电压。

由式(4)和式(5)计算可得单晶硅电池组件串的开路电压范围为730.5～864.912 V,逆变器的最大输入电压Vdcmax为1 100 V,故组件串在不同温度下的输出均小于逆变器最大输入电压。

经过以上计算分析可以得出,本项目逆变器与光伏组件技术参数相匹配。

3 光伏布置设计

3.1 光伏阵列的方位角与倾角

本项目光伏阵列用最佳倾角固定式支架安装。阵列的最佳倾角按照全年发电量(或辐射量)最优来选取。方位角是太阳能电池方阵实际朝向(即方阵垂直面)与正南方向之间的夹角,在北半球光伏组件朝正南方向时,组件接收到的光照时间最长,而且本项目建设光伏电站的位置周围没有高楼等高大的障碍物,不会对污水处理池池顶的光照形成大面积遮挡,因此本项目光伏阵列的最优方位角是0°。

通常来讲,光伏阵列的倾角等于当地纬度时可使全年在方阵表面的太阳辐射能达到最大,全年发电量也最大。在设计过程中,利用PVsyst软件的模拟功能,对比方阵在不同倾角下的辐射量和系统损失百分比,最终确定光伏阵列最佳倾角为29°。

3.2 光伏阵列间距计算

光伏阵列的安装支架必须考虑前后排的间距,以防止在日出日落时前排光伏组件产生的阴影遮挡住后排的光伏组件,进而影响到光伏阵列总体的输出功率。一般确定原则是冬至日当天上午9∶00到下午3∶00时间段组件阵列均不应被遮挡。方阵间距示意图如图2所示。方阵间距D可由下式计算:

图2 方阵间距示意图

(6)

式中:D——两阵列之间的间距;

L——阵列倾斜面长度;

β——光伏阵列安装倾角;

φ——光伏阵列所在地纬度(在北半球为正、南半球为负)[5]。

图2中,H为前排光伏子阵列组件最高端与后排光伏子阵列组件最低端的高度差;α为太阳入射角。当光伏阵列安装倾角β=29°时,光伏阵列(16块成两排布置)倾斜面长度L=4.048 m,计算得D=8.67 m。综合考虑本项目有关污水处理以及人员维护运营的要求,光伏阵列的净间距设计d为5.2 m。为方便检修和巡查,本项目在东西方向上每方阵之间的间距定为2 m。

3.3 阵列设计

本项目光伏组件全部为固定支架安装,采用“即发即用、余电上网”的系统设计方案。采用16块电池组件为1串,固定阵列采用的支架形式为2行×8列(每套支架安装16块组件)。通过串联后达到逆变器最佳工作电压,由电缆连接接至逆变器直流输入端端子(每台逆变器有8路输入端子)[6]。逆变器输出至箱式变压器就地升高电压。以每个逆变器为1个发电单元,每个发电单元原则上按8汇1设计,每台逆变器的输入由8串组串并联而成。

本项目系统光伏方阵总容量为809 kWp,总计装置2 048块395 Wp的光伏组件,配备16台54 kW组串式逆变器。

4 系统能效

4.1 系统年发电量估算

用Pvsyst软件进行仿真,光伏阵列各月辐射情况如表4所示。

表4 光伏阵列各月辐射情况

由表4计算得出,本项目光伏阵列的年总辐射量为1 510.03 kWh/m2,利用如下公式计算光伏阵列首年每月理论发电量:

(7)

式中:Ep——理论发电量;

HA——水平面太阳能总辐射量;

PAZ——光伏组件安装容量;

ES——标准条件下的辐照度(常数=1 kWh/m2)。

首年各月理论发电量情况如表5所示。

4.2 系统效率计算

并网光伏发电系统的总效率η主要受到逆变器的效率η1、交流并网效率η2、组件匹配的损耗k1、交流损耗k2、直流损耗k3、温度折减k4等几部分组成。η1取98.5%,η2取96%;k1取2%;k2取0.8%;k3取1.4%;k4取2.5%。

系统的总效率为

η=η1η2(1-k1)(1-k2)(1-k3)(1-k4)

(8)

经计算,光伏系统的总效率为88.37%。

4.3 年上网电量计算

充分考虑效率减损,但不计算光伏组件性能的衰减,首年各月光伏系统理论与预估发电量如表6所示。

表6 首年各月光伏系统理论与预估发电量

本项目首年预估发电量为1 079.56 MWh,该型光伏组件首年效率衰减2.5%,此后第30年效率衰减为83%,系统运行期内年发电量预测如表7所示。

表7 系统运行期内年发电量预测

本项目运行期为25年,总发电量为24 694.96 MWh,年平均发电量为987.80 MWh。

4.4 节能量计算

本项目平均每年发电量为987.80 MWh,吴桥县主要的发电形式为火力。与相同发电量的火电相比,相当于每年可节约标煤316.10 t(以平均标准煤耗为320 g/kWh计算),而且每年可减少多种污染物的排放,其中减排SO2约29.63 t、CO2约984.84 t、氮氧化物约3.95 t、粉尘约6.72 t。该光伏电站的建设减少了煤炭等资源的使用,同时也降低了SO2、烟尘等有害气体以及固体废弃物的排放,可达到充分利用可再生能源、节约化石资源的目的,同时可节约水资源,对于改善大气环境有积极的作用。

5 结 语

在本项目中,根据污水处理厂改造后实际布局与电催化氧化工艺能耗需求,建设800 kWp分布式光伏发电系统,可以解决污水处理厂提标改造过程中闲置空间的使用,同时在一定程度上缓解电催化氧化等高耗能设备对电力系统的冲击。在污水处理厂建设分布式光伏发电系统,将水处理产业与新能源产业结合,优势互补,值得推广应用。