水處理行業中光伏發電系統的運用分析的論文
水處理行業中光伏發電系統的運用分析的論文
正文：
1.引言
太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的可再生綠色能源，以其獨有的優勢而具有廣闊的應用領域和良好的發展前景。太陽能光伏發電作為對太陽能的諸多開發利用中的一種，具有無汙染、可再生、機動靈活、可儲存等特點。隨著我國近年來對分散式光伏發展的大力支援，開啟了光伏應用市場化的新階段。光伏發電系統目前已在道路照明、住宅建築等領域有了實際的應用。而水處理行業以其獨特的行業特點，同樣也適合於光伏發電系統的應用。
2.光伏發電系統的基本原理及組成
光伏發電系統一般由光伏電池元件、控制器、逆變器及蓄電池組組成。光伏電池元件是利用太陽光照射在其上後，在其半導體P-N結上形成電極性相反的電子-空穴對。在電場的作用下，空穴由N區流向P區，電子由P區流向N區，接通外電路後形成電流，從而獲得電能。太陽能光伏電池元件按照基體材料可以分為單晶矽太陽能光伏電池元件、多晶矽太陽能光伏電池元件、薄膜太陽電池三大類。
控制器在光伏發電系統中主要是用於對蓄電池的充、放電加以控制，使得在任意氣候、溫度及日照條件下，系統都能有一個最最佳化的功率輸出。光伏控制器的型別主要可分為串聯型、並聯型、PWM調製型、智慧型及最大功率跟蹤型控制器。
由於光伏電池元件和蓄電池組所輸出的都是直流電源，而在我們日常生活及水處理行業中絕大多數負載均是交流負載，因此，逆變器在光伏發電系統中也是一個不可或缺的組成部分。
最後一項蓄電池組，則是系統中的儲能部分。當光照條件好，並且光伏電池所發電量大於負載需求時，由系統向蓄電池組充電，儲存電能。當遇到光照條件不好，光伏電池所發電量不能滿足負載需求時，可由蓄電池釋放電能以滿足負載需求。
3.光伏發電系統在水處理行業中的應用優勢
光伏發電系統在水處理行業應用中有如下優勢：
（1）周圍無高大建築遮擋
水處理廠多處於工業企業相對集中，位置較為偏遠的地區，周邊建築物多為工業廠房等層高較低的建築物，對於水處理廠中光伏發電系統遮擋較少。同時，由於水處理廠本身建築條件要求，其各構、建築物單體本身高度較低且佈局較為稀疏，亦不易造成遮擋，因此具有較好的光照條件。
（2）可安裝屋頂面積較大
水處理廠由於工藝流程的需要，多具有面積較大的`建、構築物，如生反池、二沉池、鼓風機房等等，此類構建築物上方具有較大的光伏系統安裝空間。此外，水處理廠光伏發電系統多屬於屋頂式分散式光伏系統，不涉及新增土地，不改變土地用途，不影響文物保護要求，不新增建築面積和不改變建築結構。
（3）提高工藝處理效果
水處理廠光伏發電系統的合理佈置與設計，可以減少池水的蒸發量，增加水的處理量，減少汙水蒸發對環境的影響，同時，還能起到降低水池上方風速，改善區域性小環境，提高池水溫度，增強微生物生長活性，改善汙水處理效果，最終達到提高水處理能力和專案綜合經濟效益的目的。
（4）水處理廠用電量大且穩定
水處理廠負荷包括鼓風機、潛汙泵等大功率負荷，同時也含有如閘門、格柵、潛水推流器等小功率負荷，其計算功率往往較大。並且，由於水量較為均衡，各工藝裝置執行情況較為穩定，負荷特性穩定，便於光伏發電系統的設計。
（5）光伏電能可就地消納
由於水處理廠的負荷用電量大，且變化較小，對光伏系統的合理設計可以使光伏電能得到充分應用，避免光伏系統的電能浪費，降低棄光率。
（6）融資條件好
水處理廠通常執行週期長，經營有保證，效益穩定，其自發自用比例較高，投資回報率較高，因而可以避免融資難的問題。
（7）維護成本低
光伏系統建成後，其運營成本除不可抗因素導致的裝置損壞外，主要是清洗用水等維護成本。汙水處理廠的出水或者中水清潔程度即可滿足光伏元件的清洗需要，同時清洗後水源還可就地直接收集進入汙水處理流程中，因此可以節約用水，降低維護成本。
4.光伏發電系統在水處理行業中設計要點
1）光伏發電系統的設立應因地制宜
我國太陽能資源豐富，太陽能年均輻射總量位居世界各國前列，但對於光伏發電系統的設立，仍要因地制宜，根據當地的太陽能資源情況考慮是否適宜設立光伏系統。
我國太陽能資源分佈情況如下圖所示。
根據太陽能資源的強弱，可以分為豐富區、較豐富區、可利用區與貧乏區，如下表所示。
對於太陽能資源的豐富區、較豐富區及可利用區，一般都適宜建設太陽能光伏發電系統。對於太陽能資源的貧乏區則不建議設立。
2）光伏發電容量的設計
對於光伏發電容量的設計，涉及到太陽能電池板的最佳位置佈置、最佳安裝方位角及傾角設計等因素，同時需要對工程當地的太陽光全域性輻射、漫反射、溫度及風速等氣象條件有足夠的資料支撐，通常需要藉助專業光伏計算軟體來加以設計。這裡，我們以專業光伏計算軟體PVsyst為例，加以簡單的介紹。
PVsyst軟體是當前國際知名的專業光伏系統模擬計算軟體，被廣泛應用於太陽能光伏系統設計、工程和學術研究中。PVsyst具有友好的使用者介面以及完善的資料庫和環境建模功能，可以對不同地點、不同環境下的光伏系統進行計算。透過PVsyst軟體，可以根據光伏系統的具體設計引數，計算光伏系統年發電量、損耗等等，並進行經濟效益分析，從而用於對光伏系統設計方案進行驗證、分析與最佳化。
PVsyst集成了專業氣象軟體Meteonorm,可以方便地獲取工程地點的氣象資料。藉助於PVsyst軟體，我們可以透過對工程當地的周圍地形及遮擋物進行建模，分析光伏電池元件安裝在不同位置時所受的遮擋情況，從而選取最優的安裝地點。
上圖中，上方黃域為工程某地的太陽移動軌跡，下方紅色曲線為光伏電池元件安裝地點周圍的遮擋物，而兩者重合的區域，便是陽光被遮擋的區段。
對於水處理廠，我們可以選取生反池、二沉池等大面積構築物以及大型廠房所在的區域進行分析，來選取電池元件的安裝區域。
此外，PVsyst還能計算光伏電池元件在不同方位角及傾角下的太陽能輻射能，從而選取電池板的最優方位角及傾角，並計算出在最優方位角及傾角下的系統容量。
3）系統硬體的選型設計
系統硬體的選型設計包括光伏電池元件的選型、逆變器的選擇、防雷及配電系統設計等。
不同型別的光伏電池元件各有其優、缺點，可根據工程的實際情況進行選擇，在此不再贅述。
對於配電系統的設計需結合水處理廠廠區的配電設計。通常，光伏發電系統分為獨立發電系統與併網發電系統，對於併網發電系統，還可考慮餘電是否饋入公共電網。由於水處理行業通常都含有鼓風機、潛汙泵等大功率負荷，一般計算容量較大，並且考慮到水處理廠負荷等級對於供電可靠性的要求，光伏發電獨立系統不適用於本行業。因此，對於水處理行業，我們可選擇光伏併網發電系統，光伏發電所產生的電能自發自用，餘電不上網。
5.結束語
本文透過介紹光伏發電系統的基本原理及組成，分析了光伏發電應用在水處理行業的可行性及優勢，並進一步探討了光伏發電系統的一些設計要點及設計方法，供後續工程參考。