李永康, 辛金營(yíng)

(1.北京新銳電氣有限公司, 北京 101100;2.滄縣捷地回族鄉(xiāng)中心校, 河北 滄州 061725)

0 引 言

按照生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(意見征求稿)的要求,某工業(yè)園區(qū)污水處理廠進(jìn)行一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的提升改造工作。由于工業(yè)園區(qū)中各企業(yè)的工藝流程不盡相同,造成各企業(yè)所排放的廢水存在有毒有害物質(zhì)品種雜、濃度高低不同、水體質(zhì)量紛雜可生化性差等特點(diǎn),因此在提標(biāo)改造中選擇電催化氧化技術(shù)作為深度處理方法。電催化氧化技術(shù)在使用的過程中需要耗費(fèi)較多的電能。因此在污水處理廠提標(biāo)改造階段,選擇了并網(wǎng)光伏發(fā)電與污水處理廠相結(jié)合的方案,該方案充分利用了污水處理廠的閑置空間,通過分布式發(fā)電系統(tǒng)降低了污水處理廠的運(yùn)營(yíng)成本。

1 工程概況

1.1 資源基礎(chǔ)情況

該污水處理廠提標(biāo)改造后處理規(guī)模為8 000 m3/d,占地面積約為30 000 m2,改造后工藝采用:粗細(xì)格柵+水解酸化池+調(diào)節(jié)池+生化+MBR系統(tǒng)+電催化氧化系統(tǒng)+濾布濾池。其工藝流程圖如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)位于河北省滄州市吳橋縣某工業(yè)園區(qū),污水處理廠中心區(qū)域坐標(biāo)為北緯37.540 6°,東經(jīng)116.382 9°。本項(xiàng)目所使用的基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)出自Meteonorm軟件。吳橋縣月度氣象數(shù)據(jù)如表1所示。吳橋縣屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,歷年平均太陽能輻射總量為4 913.3 MJ/m2(1 364.9 kWh/m2)[1],屬于太陽能資源較富帶。該污水處理廠所在地光資源變動(dòng)較小,適宜創(chuàng)建并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)。

表1 吳橋縣月度氣象數(shù)據(jù)

1.2 項(xiàng)目規(guī)模

本項(xiàng)目擬建設(shè)在污水處理廠的建筑物屋頂以及部分水池的池頂,達(dá)到充分利用閑置空間資源的目的,并可以直接向污水處理廠供電。本項(xiàng)目規(guī)劃裝機(jī)容量為800 kWp,組件占地約為4 200 m2。

2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光伏組件選型

光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件,其技術(shù)性能和指標(biāo)對(duì)整套系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要,要求盡量選擇轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長(zhǎng)、技術(shù)性能穩(wěn)定的組件。本項(xiàng)目擬選用型號(hào)為TSM-DEG15M.20(Ⅱ)、功率為395 Wp的單晶硅電池組件。電池組件參數(shù)如表2所示。

表2 電池組件參數(shù)

并網(wǎng)逆變器的分類有微型逆變器、集中式逆變器和組串式逆變器。集中式逆變器占用空間大,需要專用的機(jī)房立式安裝,而組串式逆變器采用模塊化設(shè)計(jì),可以選擇壁掛式安裝,在各種應(yīng)用中可以簡(jiǎn)化施工、減少占地。與集中式逆變器相比,組串式逆變器最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)電壓范圍寬,具有多路MPPT輸入、組件配置更為靈活的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)逆變器出現(xiàn)故障時(shí),組串式逆變器只有一路組件停止發(fā)電,而集中式會(huì)造成整個(gè)分電站癱瘓。本項(xiàng)目擬選用華為SUN2000-36KTL-M3組串式逆變器。逆變器各項(xiàng)性能指標(biāo)參數(shù)如表3所示。

表3 逆變器各項(xiàng)性能指標(biāo)參數(shù)

2.2 光伏組件串的串聯(lián)數(shù)

光伏組件串的串聯(lián)數(shù)不僅與占地面積、系統(tǒng)容量息息相關(guān),還受到逆變器參數(shù)的影響。根據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》,光伏組件串的串聯(lián)數(shù)計(jì)算公式如下[2]:

(1)

式中:N——光伏組件的串聯(lián)數(shù)量;

t——光伏組件工作條件下的極限高溫[3]。

(2)

式中:t′——光伏組件工作條件下的極限低溫。

吳橋縣歷史極端最低溫度為-19 ℃,夏天組件背板溫度可達(dá)50 ℃。

根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算結(jié)果,綜合考慮本項(xiàng)目情況后將光伏組件的串聯(lián)數(shù)量確定為16,即將16塊光伏組件串聯(lián)為一個(gè)組串。

2.3 光伏組件的并聯(lián)數(shù)

光伏組件的并聯(lián)數(shù)量如下式所示:

(3)

式中:PZCmmp——光伏逆變器的最大輸入功率。

由式(3)計(jì)算得出,光伏組件并聯(lián)的數(shù)量為8串。

2.4 選型校驗(yàn)

(1) 容量匹配設(shè)計(jì)。光伏電池陣列功率與所接逆變器的功率容量相匹配。

光伏電池陣列功率=組件標(biāo)稱功率×組件串聯(lián)數(shù)×組件并聯(lián)數(shù)。

在容量設(shè)計(jì)中,逆變器的最大輸入功率應(yīng)近似等于光伏電池陣列的功率,考慮到光伏組件的灰塵損失以及電纜的歐姆損失,實(shí)際工程中可提高約10%的光伏陣列功率。該型逆變器的推薦最大輸入直流功率為54 000 W,故容量匹配。

(2) 逆變器MPPT電壓范圍與電池組電壓匹配。

電池陣列電壓=電池組件電壓×組件串聯(lián)數(shù)。

本工程中電池陣列電壓為641.6 V,此數(shù)值略大于逆變器滿載MPPT電壓范圍500～800 V的中間值,能夠達(dá)到MPPT的最優(yōu)效果,跟蹤效果良好[4]。

(3) 最大輸入電流與電池組電流相匹配。

電池陣列最大輸出電流=電池組件短路電流×并聯(lián)數(shù)。

逆變器每路MPPT最大輸入電流是26 A,光伏組件的短路電流是10.37 A,每路MPPT并聯(lián)兩路組件串,故逆變器的最大輸入電流與電池陣列最大輸出電流相匹配。

(4) 組件串的輸出最大電壓范圍與逆變器最大直流電壓相匹配。

光伏組件的開路電壓主要受到溫度的影響,其計(jì)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 ℃)——單晶硅電池在溫度50 ℃時(shí)的開路電壓;

Voc(-19 ℃)——單晶硅電池在溫度-19 ℃時(shí)的開路電壓。

由式(4)和式(5)計(jì)算可得單晶硅電池組件串的開路電壓范圍為730.5～864.912 V,逆變器的最大輸入電壓Vdcmax為1 100 V,故組件串在不同溫度下的輸出均小于逆變器最大輸入電壓。

經(jīng)過以上計(jì)算分析可以得出,本項(xiàng)目逆變器與光伏組件技術(shù)參數(shù)相匹配。

3 光伏布置設(shè)計(jì)

3.1 光伏陣列的方位角與傾角

本項(xiàng)目光伏陣列用最佳傾角固定式支架安裝。陣列的最佳傾角按照全年發(fā)電量(或輻射量)最優(yōu)來選取。方位角是太陽能電池方陣實(shí)際朝向(即方陣垂直面)與正南方向之間的夾角,在北半球光伏組件朝正南方向時(shí),組件接收到的光照時(shí)間最長(zhǎng),而且本項(xiàng)目建設(shè)光伏電站的位置周圍沒有高樓等高大的障礙物,不會(huì)對(duì)污水處理池池頂?shù)墓庹招纬纱竺娣e遮擋,因此本項(xiàng)目光伏陣列的最優(yōu)方位角是0°。

通常來講,光伏陣列的傾角等于當(dāng)?shù)鼐暥葧r(shí)可使全年在方陣表面的太陽輻射能達(dá)到最大,全年發(fā)電量也最大。在設(shè)計(jì)過程中,利用PVsyst軟件的模擬功能,對(duì)比方陣在不同傾角下的輻射量和系統(tǒng)損失百分比,最終確定光伏陣列最佳傾角為29°。

3.2 光伏陣列間距計(jì)算

光伏陣列的安裝支架必須考慮前后排的間距,以防止在日出日落時(shí)前排光伏組件產(chǎn)生的陰影遮擋住后排的光伏組件,進(jìn)而影響到光伏陣列總體的輸出功率。一般確定原則是冬至日當(dāng)天上午9∶00到下午3∶00時(shí)間段組件陣列均不應(yīng)被遮擋。方陣間距示意圖如圖2所示。方陣間距D可由下式計(jì)算:

圖2 方陣間距示意圖

(6)

式中:D——兩陣列之間的間距;

L——陣列傾斜面長(zhǎng)度;

β——光伏陣列安裝傾角;

φ——光伏陣列所在地緯度(在北半球?yàn)檎?、南半球?yàn)樨?fù))[5]。

圖2中,H為前排光伏子陣列組件最高端與后排光伏子陣列組件最低端的高度差;α為太陽入射角。當(dāng)光伏陣列安裝傾角β=29°時(shí),光伏陣列(16塊成兩排布置)傾斜面長(zhǎng)度L=4.048 m,計(jì)算得D=8.67 m。綜合考慮本項(xiàng)目有關(guān)污水處理以及人員維護(hù)運(yùn)營(yíng)的要求,光伏陣列的凈間距設(shè)計(jì)d為5.2 m。為方便檢修和巡查,本項(xiàng)目在東西方向上每方陣之間的間距定為2 m。

3.3 陣列設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目光伏組件全部為固定支架安裝,采用“即發(fā)即用、余電上網(wǎng)”的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。采用16塊電池組件為1串,固定陣列采用的支架形式為2行×8列(每套支架安裝16塊組件)。通過串聯(lián)后達(dá)到逆變器最佳工作電壓,由電纜連接接至逆變器直流輸入端端子(每臺(tái)逆變器有8路輸入端子)[6]。逆變器輸出至箱式變壓器就地升高電壓。以每個(gè)逆變器為1個(gè)發(fā)電單元,每個(gè)發(fā)電單元原則上按8匯1設(shè)計(jì),每臺(tái)逆變器的輸入由8串組串并聯(lián)而成。

本項(xiàng)目系統(tǒng)光伏方陣總?cè)萘繛?09 kWp,總計(jì)裝置2 048塊395 Wp的光伏組件,配備16臺(tái)54 kW組串式逆變器。

4 系統(tǒng)能效

4.1 系統(tǒng)年發(fā)電量估算

用Pvsyst軟件進(jìn)行仿真,光伏陣列各月輻射情況如表4所示。

表4 光伏陣列各月輻射情況

由表4計(jì)算得出,本項(xiàng)目光伏陣列的年總輻射量為1 510.03 kWh/m2,利用如下公式計(jì)算光伏陣列首年每月理論發(fā)電量:

(7)

式中:Ep——理論發(fā)電量;

HA——水平面太陽能總輻射量;

PAZ——光伏組件安裝容量;

ES——標(biāo)準(zhǔn)條件下的輻照度(常數(shù)=1 kWh/m2)。

首年各月理論發(fā)電量情況如表5所示。

4.2 系統(tǒng)效率計(jì)算

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的總效率η主要受到逆變器的效率η1、交流并網(wǎng)效率η2、組件匹配的損耗k1、交流損耗k2、直流損耗k3、溫度折減k4等幾部分組成。η1取98.5%,η2取96%;k1取2%;k2取0.8%;k3取1.4%;k4取2.5%。

系統(tǒng)的總效率為

η=η1η2(1-k1)(1-k2)(1-k3)(1-k4)

(8)

經(jīng)計(jì)算,光伏系統(tǒng)的總效率為88.37%。

4.3 年上網(wǎng)電量計(jì)算

充分考慮效率減損,但不計(jì)算光伏組件性能的衰減,首年各月光伏系統(tǒng)理論與預(yù)估發(fā)電量如表6所示。

表6 首年各月光伏系統(tǒng)理論與預(yù)估發(fā)電量

本項(xiàng)目首年預(yù)估發(fā)電量為1 079.56 MWh,該型光伏組件首年效率衰減2.5%,此后第30年效率衰減為83%,系統(tǒng)運(yùn)行期內(nèi)年發(fā)電量預(yù)測(cè)如表7所示。

表7 系統(tǒng)運(yùn)行期內(nèi)年發(fā)電量預(yù)測(cè)

本項(xiàng)目運(yùn)行期為25年,總發(fā)電量為24 694.96 MWh,年平均發(fā)電量為987.80 MWh。

4.4 節(jié)能量計(jì)算

本項(xiàng)目平均每年發(fā)電量為987.80 MWh,吳橋縣主要的發(fā)電形式為火力。與相同發(fā)電量的火電相比,相當(dāng)于每年可節(jié)約標(biāo)煤316.10 t(以平均標(biāo)準(zhǔn)煤耗為320 g/kWh計(jì)算),而且每年可減少多種污染物的排放,其中減排SO2約29.63 t、CO2約984.84 t、氮氧化物約3.95 t、粉塵約6.72 t。該光伏電站的建設(shè)減少了煤炭等資源的使用,同時(shí)也降低了SO2、煙塵等有害氣體以及固體廢棄物的排放,可達(dá)到充分利用可再生能源、節(jié)約化石資源的目的,同時(shí)可節(jié)約水資源,對(duì)于改善大氣環(huán)境有積極的作用。

5 結(jié) 語

在本項(xiàng)目中,根據(jù)污水處理廠改造后實(shí)際布局與電催化氧化工藝能耗需求,建設(shè)800 kWp分布式光伏發(fā)電系統(tǒng),可以解決污水處理廠提標(biāo)改造過程中閑置空間的使用,同時(shí)在一定程度上緩解電催化氧化等高耗能設(shè)備對(duì)電力系統(tǒng)的沖擊。在污水處理廠建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng),將水處理產(chǎn)業(yè)與新能源產(chǎn)業(yè)結(jié)合,優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),值得推廣應(yīng)用。