生物-生態一體化污水處理工藝的分布式光伏發電系統構建與性能分析

陳北洋 陳紹良 才丁 潘旗*

（1華電水務控股有限公司 2太原科技大學）

生物-生態一體化污水處理工藝的分布式光伏發電系統構建與性能分析

陳北洋1陳紹良2才丁1潘旗1*

（1華電水務控股有限公司 2太原科技大學）

分布式光伏發電技術是污水處理廠降本增效的有效手段。通過在生物-生態一體化污水處理池陽光棚頂布置單板容量≥170kW、透光率≥40%的超薄雙玻無邊框晶硅光伏組件，可構建光伏-市電協同供電系統。供電同時滿足池內挺水植物生長所需光照條件，具有耐候性強、造型美觀、防潮抗蝕、防火抗裂、易于清潔的特點。

生物-生態一體化；污水處理；陽光棚；超薄雙玻無邊框晶硅組件

引言

生物-生態一體化污水處理系統可滿足發達地區或旅游區生態要求。在生化池頂設置陽光棚可使系統適應北方氣候，滿足植物生長需要、強化冬季污水處理效果。分布式光伏發電-市電協同供電體系是污水處理廠節能降耗的有效手段。如何充分利用陽光棚頂建設空間構建分布式光伏系統，同時又能滿足生化池內植物生長所需光照條件，節約成本、安全可靠正是本文的研究重點。

1 生物-生態一體化污水處理系統

生物-生態一體化污水處理技術通過生化池內生物/植物模塊及微生物構成的微觀生態體系，有效去除污染物。系統環境融合度高、綠色環保、高效集約。污水經預處理去除漂浮物及懸浮物，通過二級處理段生化池內微生物綜合作用去除有機污染物及氮磷，出水在二沉池泥水分離后經深度處理及消毒后達標外排，剩余污泥濃縮脫水外運。

生化反應池深5米左右，內設植物/生物模塊，植物根系伸展至水下1.5米區域。系統推流設計，依次為缺氧、好氧段，曝氣裝置滿足池內溶氧需求[1]。

2 陽光棚頂光伏發電系統構建

2.1 陽光棚設置及運行維護

北方地區溫帶大陸性氣候，其特征為：①冬冷夏熱，晝夜溫差大，1月最冷，7月最熱，春溫高于秋溫。②降水量少且季節分配不均，集中在夏季[2]。反應池頂布置陽光棚可實現生物-生態一體化污水處理技術在北方地區的運用與推廣：既滿足植物的生長環境要求，又強化污水在冬季的處理效果。

陽光棚高度一般在3-5米左右，框架支撐采用鋼結構材質，根據保溫性能需求選用板材，可選用單層玻璃板、中空（真空）玻璃、雙層聚合物復合材料等。陽光棚與生化池采用預埋件螺栓連接并做好密封，陽光棚頂可按照最佳輻射角度進行布置。陽光棚側壁設有通風風機，頂部及側壁設置通風窗便于空氣流通。棚頂設置帷幔、噴淋等輔助設施控制溫濕度，冬季采暖確保溫度不低于6-8℃。

2.2 主要用電負荷及電壓等級

污水廠安全運行連續性強，中斷供電將造成很大影響，為二級負荷。一般采用兩路10kV高壓電源供電，一用一備，兩路電源故障保證率均為100%，用電設備均為380/220V低壓負荷，主要包括：污水提升泵及回流泵等輸送裝置、鼓風機、污泥處理、預處理以及采暖照明系統等。為適應中國北方寒冷氣候，還需考慮陽光棚及附屬設備的用電負荷，新增用電設備有照明燈、植物補光燈、取暖器、通風風機等[3]。

2.3 光伏發電系統構建

光伏發電系統由組件、逆變器、交流匯流箱、電纜組成，如圖1所示。光伏發電低壓并入電網，自發自用，余電上網，形成了光伏-市電協同供電模式[4]。

圖1 分布式光伏發電系統示意圖

陽光棚頂坡面朝向及角度與光伏最佳輻射角度一致。坡頂采用鋼方管支架支撐，為滿足支撐結構承重需求，可省去玻璃頂棚，直接在鋼方管上方安置光伏板。另考慮陽光棚內植物生長采光條件，推薦采用透光率≥40%的光伏組件。因生化池上方環境濕度較大，推薦采用耐候性雙玻無邊框晶硅光伏組件。以亞瑪頓翼龍系列SEAM40板材為例，單板容量160-175Wp，尺寸1662*990*5mm，重量19kg，前蓋板為2mm鋼化鍍膜玻璃，背板為2mm鋼化玻璃，透光率41%，晶片按照5*8陣列排布，最高效率10.7%。具有耐候性強、造型美觀、無PID隱患、易清潔的特點[5,6]。光伏組件與鋼方管之間采用結構膠固定，電池板組件之間采用密封膠密封，組件密封情況如圖2所示。

圖2 光伏組件與鋼方管及組件間密封示意圖

為提高支撐穩定性、美觀性，可將組件之間密封銜接接縫置于支撐鋼方管管架之上，組件安裝布置情況如圖3所示。

圖3 超薄雙玻光伏組件對角密封示意圖

為保證系統靈活性，采用壁掛式組串逆變器懸掛于陽光房支撐框架，防護等級IP65。

關口計量表10kV計量，設于污水廠產權分界點負荷側，用于上網電能及用網電能計量。關口表具備雙向有功、無功計量功能。具備電壓、電流、電能等信息采集和三相不平衡電流監測功能，配有標準通信接口，具備本地通信和通過電能信息采集終端遠程通信的功能，將采集數據和信息傳輸至電力營銷系統主站。發電量計量電能表設在光伏發電站出口側，用于發電量統計和電價補償。

3 陽光棚頂分布式光伏發電系統性能分析

3.1 便于安置，透光率高

生化池陽光棚坡頂采用鋼方管支架支撐，雙玻光伏組件平均重量8.5-12kg/m3，替代玻璃頂棚安裝方便，同時可降低載重負擔、防止重復投資。雙玻光伏組件透光率≥40%，替代陽光棚頂覆蓋材料，可滿足植物采光要求。

3.2 防潮抗蝕，耐候性強

污水廠屬高溫高濕環境，組件PID效應劇烈。在組件選擇時應充分考慮抗PID性能。無邊框組件抗PID能力強。玻璃背板透水率幾乎為0、耐紫外抗老化能力強，耐候性絕佳[7]。

3.3 防火抗裂，安全性強

雙玻結構使組件彎曲時中心不偏離電池片，防止電池片受損，抗隱裂[8]。玻璃背板替代塑料背板，降低電弧或熱板效應造成的火災隱患，可達到最高防火等級要求。有效承受2400pa風壓和5400pa雪壓，系統強度高，安全穩定[9]。

4 結論

污水廠光伏-市電協同供電體系可降低市電用電比例，同時獲得補貼，提高總體收益。生物-生態一體化污水處理池頂陽光棚鋼支架上部安裝高透光率超薄雙玻無邊框晶硅光伏組件，供電的同時滿足池內植物生長所需光照條件，性能穩定、造型美觀，與植物園式污水處理系統相得益彰，具有典型的示范效應，建議推廣應用。

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