光伏发电系统在水处理行业中的应用探讨

2022-12-14

1. 引言

太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生绿色能源, 以其独有的优势而具有广阔的应用领域和良好的发展前景。太阳能光伏发电作为对太阳能的诸多开发利用中的一种, 具有无污染、可再生、机动灵活、可存储等特点。随着我国近年来对分布式光伏发展的大力支持, 开启了光伏应用市场化的新阶段。光伏发电系统目前已在道路照明、住宅建筑等领域有了实际的应用。而水处理行业以其独特的行业特点, 同样也适合于光伏发电系统的应用。

2. 光伏发电系统的基本原理及组成

光伏发电系统一般由光伏电池组件、控制器、逆变器及蓄电池组组成。

光伏电池组件是利用太阳光照射在其上后, 在其半导体P-N结上形成电极性相反的电子-空穴对。在电场的作用下, 空穴由N区流向P区, 电子由P区流向N区, 接通外电路后形成电流, 从而获得电能。太阳能光伏电池组件按照基体材料可以分为单晶硅太阳能光伏电池组件、多晶硅太阳能光伏电池组件、薄膜太阳电池三大类。

控制器在光伏发电系统中主要是用于对蓄电池的充、放电加以控制, 使得在任意气候、温度及日照条件下, 系统都能有一个最优化的功率输出。光伏控制器的类型主要可分为串联型、并联型、PWM调制型、智能型及最大功率跟踪型控制器。

由于光伏电池组件和蓄电池组所输出的都是直流电源, 而在我们日常生活及水处理行业中绝大多数负载均是交流负载, 因此, 逆变器在光伏发电系统中也是一个不可或缺的组成部分。

最后一项蓄电池组, 则是系统中的储能部分。当光照条件好, 并且光伏电池所发电量大于负载需求时, 由系统向蓄电池组充电, 储存电能。当遇到光照条件不好, 光伏电池所发电量不能满足负载需求时, 可由蓄电池释放电能以满足负载需求。

3. 光伏发电系统在水处理行业中的应用优势

光伏发电系统在水处理行业应用中有如下优势:

(1) 周围无高大建筑遮挡

水处理厂多处于工业企业相对集中, 位置较为偏远的地区, 周边建筑物多为工业厂房等层高较低的建筑物, 对于水处理厂中光伏发电系统遮挡较少。同时, 由于水处理厂本身建筑条件要求, 其各构、建筑物单体本身高度较低且布局较为稀疏, 亦不易造成遮挡, 因此具有较好的光照条件。

(2) 可安装屋顶面积较大

水处理厂由于工艺流程的需要, 多具有面积较大的建、构筑物, 如生反池、二沉池、鼓风机房等等, 此类构建筑物上方具有较大的光伏系统安装空间。此外, 水处理厂光伏发电系统多属于屋顶式分布式光伏系统, 不涉及新增土地, 不改变土地用途, 不影响文物保护要求, 不新增建筑面积和不改变建筑结构。

(3) 提高工艺处理效果

水处理厂光伏发电系统的合理布置与设计, 可以减少池水的蒸发量, 增加水的处理量, 减少污水蒸发对环境的影响, 同时, 还能起到降低水池上方风速, 改善局部小环境, 提高池水温度, 增强微生物生长活性, 改善污水处理效果, 最终达到提高水处理能力和项目综合经济效益的目的。

(4) 水处理厂用电量大且稳定

水处理厂负荷包括鼓风机、潜污泵等大功率负荷, 同时也含有如闸门、格栅、潜水推流器等小功率负荷, 其计算功率往往较大。并且, 由于水量较为均衡, 各工艺设备运行情况较为稳定, 负荷特性稳定, 便于光伏发电系统的设计。

(5) 光伏电能可就地消纳

由于水处理厂的负荷用电量大, 且变化较小, 对光伏系统的合理设计可以使光伏电能得到充分应用, 避免光伏系统的电能浪费, 降低弃光率。

(6) 融资条件好

水处理厂通常运行周期长, 经营有保证, 效益稳定, 其自发自用比例较高, 投资回报率较高, 因而可以避免融资难的问题。

(7) 维护成本低

光伏系统建成后, 其运营成本除不可抗因素导致的设备损坏外, 主要是清洗用水等维护成本。污水处理厂的出水或者中水清洁程度即可满足光伏组件的清洗需要, 同时清洗后水源还可就地直接收集进入污水处理流程中, 因此可以节约用水, 降低维护成本。

4. 光伏发电系统在水处理行业中设计要点

1) 光伏发电系统的设立应因地制宜

我国太阳能资源丰富, 太阳能年均辐射总量位居世界各国前列, 但对于光伏发电系统的设立, 仍要因地制宜, 根据当地的太阳能资源情况考虑是否适宜设立光伏系统。

我国太阳能资源分布情况如下图所示。

根据太阳能资源的强弱, 可以分为丰富区、较丰富区、可利用区与贫乏区, 如下表所示。

对于太阳能资源的丰富区、较丰富区及可利用区, 一般都适宜建设太阳能光伏发电系统。对于太阳能资源的贫乏区则不建议设立。

2) 光伏发电容量的设计

对于光伏发电容量的设计, 涉及到太阳能电池板的最佳位置布置、最佳安装方位角及倾角设计等因素, 同时需要对工程当地的太阳光全局辐射、漫反射、温度及风速等气象条件有足够的数据支撑, 通常需要借助专业光伏计算软件来加以设计。这里, 我们以专业光伏计算软件PVsyst为例, 加以简单的介绍。

PVsyst软件是当前国际知名的专业光伏系统仿真计算软件, 被广泛应用于太阳能光伏系统设计、工程和学术研究中。PVsyst具有友好的用户界面以及完善的数据库和环境建模功能, 可以对不同地点、不同环境下的光伏系统进行计算。通过PVsyst软件, 可以根据光伏系统的具体设计参数, 计算光伏系统年发电量、损耗等等, 并进行经济效益分析, 从而用于对光伏系统设计方案进行验证、分析与优化。

PVsyst集成了专业气象软件Meteonorm, 可以方便地获取工程地点的气象数据。借助于PVsyst软件, 我们可以通过对工程当地的周围地形及遮挡物进行建模, 分析光伏电池组件安装在不同位置时所受的遮挡情况, 从而选取最优的安装地点。

上图中, 上方黄色区域为工程某地的太阳移动轨迹, 下方红色曲线为光伏电池组件安装地点周围的遮挡物, 而两者重合的区域, 便是阳光被遮挡的区段。

对于水处理厂, 我们可以选取生反池、二沉池等大面积构筑物以及大型厂房所在的区域进行分析, 来选取电池组件的安装区域。

此外, PVsyst还能计算光伏电池组件在不同方位角及倾角下的太阳能辐射能, 从而选取电池板的最优方位角及倾角, 并计算出在最优方位角及倾角下的系统容量。

3) 系统硬件的选型设计

系统硬件的选型设计包括光伏电池组件的选型、逆变器的选择、防雷及配电系统设计等。

不同类型的光伏电池组件各有其优、缺点, 可根据工程的实际情况进行选择, 在此不再赘述。

对于配电系统的设计需结合水处理厂厂区的配电设计。通常, 光伏发电系统分为独立发电系统与并网发电系统, 对于并网发电系统, 还可考虑余电是否馈入公共电网。由于水处理行业通常都含有鼓风机、潜污泵等大功率负荷, 一般计算容量较大, 并且考虑到水处理厂负荷等级对于供电可靠性的要求, 光伏发电独立系统不适用于本行业。因此, 对于水处理行业, 我们可选择光伏并网发电系统, 光伏发电所产生的电能自发自用, 余电不上网。