يمثل استهلاك الطاقة نسبة كبيرة من تكاليف تشغيل محطات معالجة مياه الصرف الصحي. أصبحت كيفية استخدام التقنيات الجديدة والطاقة المتجددة لتحسين كفاءة الطاقة وتقليل استهلاك الطاقة في إمدادات المياه وعملية معالجة المياه محور تركيز العديد من محطات معالجة مياه الصرف الصحي في العالم. سنقدم لكم اليوم تطبيق الطاقة الشمسية في العديد من محطات الصرف الصحي في الولايات المتحدة.

لجنة الصرف الصحي في ضواحي واشنطن ، محطة معالجة مياه الصرف الصحي في فرع سينيكا والفرع الغربي ، جيرمانتاون وأبر مارلبورو ، ماريلاند

أنشأت اللجنة الصحية في واشنطن سوبربان (WSSC) محطتين مستقلتين للطاقة الشمسية الكهروضوئية بقدرة 2 ميجاوات ، يمكن لكل منهما تعويض شراء الطاقة السنوية المتصلة بالشبكة بحوالي 3278 ميجاوات في الساعة / السنة. تم بناء كلا نظامي توليد الطاقة الكهروضوئية في مناطق مفتوحة فوق الأرض ، بجوار محطة معالجة مياه الصرف الصحي. تم اختيار Standard Solar كمقاول EPC ، وكانت Washington Gas Energy Services (WGES) هي المالك ومزود PPA. تساعد AECOM WSSC في مراجعة وثائق التصميم لموردي EPC لضمان الجودة العالية للنظام.

قدمت AECOM أيضًا مستندات التصاريح البيئية إلى وزارة البيئة في ماريلاند (MDE) للتأكد من أن نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية يتوافق مع اللوائح البيئية المحلية. كلا النظامين متصلان بعميل جهاز التنحي 13.2kV ​​/ 480V ويقعان بين المحول وأي مرحلات أو قواطع دوائر تحمي محطة معالجة مياه الصرف الصحي. نظرًا لاختيار نقاط الاتصال البيني وتوليد الطاقة الشمسية الذي يتجاوز أحيانًا (وإن كان نادرًا) استهلاك الطاقة في الموقع ، تم تثبيت مرحلات جديدة لمنع خرج الطاقة من العودة إلى الشبكة. تختلف إستراتيجية الربط البيني لمنشآت معالجة مياه الصرف الصحي في DC Water في بلو بلينز اختلافًا كبيرًا عن تلك الخاصة بـ WSSC وتتطلب طرقًا متعددة للربط البيني ، مع الأخذ في الاعتبار بشكل أساسي أن هناك نوعان من مغذيات الطاقة الرئيسية المتفرعة إلى ثلاثة عدادات كهربائية رئيسية ودوائر الجهد المتوسط ​​المقابلة.

محطة معالجة مياه الصرف الصحي في هيل كانيون ، ألف أوكس ، كاليفورنيا

تم بناء محطة معالجة مياه الصرف الصحي في Hill Canyon في عام 1961 ، بسعة معالجة يومية تبلغ حوالي 38,000 طن ، وهي معروفة بإدارتها البيئية الممتازة. محطة الصرف الصحي مجهزة بجهاز معالجة ثلاثي المراحل ، ويمكن إعادة استخدام مياه الصرف الصحي المعالجة كمياه معالجة. يتم إنتاج 65 ٪ من استهلاك الطاقة في الموقع من خلال وحدة التوليد المشترك بقدرة 500 كيلو وات ونظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية بقدرة 584 كيلووات (500 كيلو وات). يتم تثبيت النظام الكهروضوئي الشمسي في خزان فائض كسرير تجفيف من المواد الصلبة الحيوية ، كما هو موضح في الشكل 8. يتم تثبيت هذه المكونات المعيارية على جهاز تعقب أحادي المحور فوق أعلى مستوى للمياه ، ويتم تثبيت جميع الأجهزة الكهربائية على جانب واحد من القناة لتقليل تسرب المياه. تم تصميم النظام ليحتاج فقط إلى تثبيت المراسي الرأسية على اللوحة السفلية لحمام السباحة الخرساني الحالية ، مما يقلل من كمية البناء المطلوبة للأساسات أو الأساسات التقليدية. تم تركيب نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية في أوائل عام 2007 ويمكنه تعويض 15٪ من مشتريات الشبكة الحالية.

منطقة أعمال المياه في مقاطعة فينتورا ، محطة موربارك للمياه المستصلحة ، موربارك ، كاليفورنيا

يتدفق ما يقرب من 2.2 مليون جالون (حوالي 8330 متر مكعب) من مياه الصرف الصحي من 3 مستخدم إلى مرفق استصلاح المياه في موربارك كل يوم. توضح الخطة الإستراتيجية 9,200-2011 لمقاطعة Ventura بالتفصيل خمسة “مجالات رئيسية” ، بما في ذلك “البيئة ، واستخدام الأراضي ، والبنية التحتية”. فيما يلي الأهداف الاستراتيجية الرئيسية في هذا المجال المحدد: “تنفيذ تدابير فعالة من حيث التكلفة لتوفير الطاقة وخفض الانبعاثات من خلال التشغيل المستقل والتخطيط الإقليمي والتعاون بين القطاعين العام والخاص.”

في عام 2010 ، تعاونت مقاطعة Ventura County Water District رقم 1 مع شركة AECOM لفحص الأنظمة الكهروضوئية. في يوليو 2011 ، تلقت المنطقة جائزة أداء مشروع الطاقة الكهروضوئية 1.13 ميجاوات في مرفق Moorpark لاستصلاح النفايات. لقد مرت المنطقة بعملية طويلة لطلب تقديم العروض (RFP). أخيرًا ، في أوائل عام 2012 ، مُنح RECSolar الإذن للمشروع لبدء تصميم وبناء النظام الكهروضوئي. تم وضع النظام الكهروضوئي قيد الاستخدام في نوفمبر 2012 وحصل على تصريح تشغيل مواز.

يمكن لنظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحالي أن يولد حوالي 2.3 مليون كيلوواط / ساعة من الكهرباء كل عام ، والتي يمكن أن تعوض ما يقرب من 80 ٪ من الكهرباء التي تشتريها محطة المياه من الشبكة. كما هو مبين في الشكل 9 ، يولد نظام التتبع أحادي المحور كهرباء 20٪ أكثر من نظام الإمالة الثابتة التقليدية ، لذلك تم تحسين الإنتاج الكلي للكهرباء. وتجدر الإشارة إلى أنه عندما يكون المحور في اتجاه الشمال والجنوب وتكون مصفوفة البتات في المنطقة المفتوحة ، فإن نظام التتبع أحادي المحور يتمتع بأعلى كفاءة. يستخدم مصنع Mookpark Waste Recycling Plant الأراضي الزراعية المجاورة لتوفير أفضل مكان للأنظمة الكهروضوئية. أساس نظام التتبع مكدس على عارضة شفة عريضة تحت الأرض ، مما يقلل بشكل كبير من تكلفة البناء والوقت. خلال دورة حياة المشروع بأكملها ، ستوفر المنطقة حوالي 4.5 مليون دولار أمريكي.

إدارة المرافق العامة لبلدية مقاطعة كامدن ، نيو جيرسي

في عام 2010 ، حددت هيئة المرافق البلدية في مقاطعة كامدن (CCMUA) لنفسها هدفًا جريئًا يتمثل في استخدام طاقة متجددة بنسبة 100٪ أرخص من الكهرباء المحلية لمعالجة 60 مليون جالون يتم توليدها يوميًا (حوالي 220,000 متر مكعب) من مياه الصرف الصحي. تدرك CCMUA أن الأنظمة الكهروضوئية الشمسية لديها مثل هذه الإمكانات. ومع ذلك ، فإن محطة معالجة مياه الصرف الصحي CCMUA تتكون أساسًا من خزانات تفاعل مفتوحة ، ولا يمكن أن تشكل المصفوفات الشمسية التقليدية الموجودة على الأسطح مقياسًا معينًا لتزويد الطاقة.

على الرغم من هذا ، CCMUA لا تزال مفتوحة العطاء. وأعرب السيد هيليو ساج ، الذي شارك في العطاء ، عن اعتقاده أنه من خلال بعض المشاريع الإضافية ، سيتم نشر نظام كهروضوئي مشابه للجراج الشمسي فوق خزان الترسيب المفتوح. نظرًا لأن المشروع يكون منطقيًا فقط إذا كان بإمكان CCMUA تحقيق وفورات فورية في الطاقة ، يجب ألا يكون تصميم المخطط قويًا فحسب ، بل يجب أيضًا أن يكون فعالًا من حيث التكلفة.

في يوليو 2012 ، أطلق مركز CCMUA للطاقة الشمسية نظام توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية 1.8 ميجاوات ، والذي يتكون من أكثر من 7,200 لوح شمسي ويغطي مسبحًا مفتوحًا بمساحة 7 أفدنة. يكمن ابتكار التصميم في تركيب نظام المظلة بارتفاع 8-9 أقدام ، والذي لن يتداخل مع استخدام أو تشغيل أو صيانة أحواض المعدات الأخرى.

الهيكل الكهروضوئي الشمسي هو تصميم مضاد للتآكل (الماء المالح ، وحمض الكربونيك وكبريتيد الهيدروجين) ، ومظلة مرآب معدلة من صنع شليتر (مورد معروف لأنظمة الأقواس الكهروضوئية ، بما في ذلك المرآب). وفقًا لـ PPA ، لا يوجد لدى CCMUA نفقات رأسمالية وليست مسؤولة عن أي تكاليف تشغيل وصيانة. المسؤولية المالية الوحيدة لـ CCMUA هي دفع سعر ثابت للطاقة الشمسية لمدة 15 عامًا. تقدر CCMUA أنها ستوفر ملايين الدولارات في تكاليف الطاقة.

تشير التقديرات إلى أن نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية سيولد حوالي 2.2 مليون كيلوواط / ساعة من الكهرباء كل عام ، وسيكون الأداء القائم على موقع CCMUA التفاعلي أفضل. يعرض الموقع سمات إنتاج الطاقة الحالية والمتراكمة والسمات البيئية ، ويعكس إنتاج الطاقة الحالي في الوقت الفعلي ، كما هو موضح في الشكل أدناه.

منطقة مياه بلدية حوض الغرب ، إي سيغوندو ، كاليفورنيا

منطقة المياه البلدية في حوض الغرب (منطقة مياه بلدية حوض الغرب) هي مؤسسة عامة مكرسة للابتكار منذ عام 1947 ، وتوفر مياه الشرب والمياه المعالجة لمساحة 186 ميلاً مربعاً في غرب لوس أنجلوس. منطقة West Basin هي سادس أكبر منطقة مائية في ولاية كاليفورنيا ، وتخدم ما يقرب من مليون شخص.

في عام 2006 ، قرر West Basin تركيب أنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية الشمسية على مرافق المياه المستصلحة ، على أمل الحصول على فوائد مالية وبيئية طويلة الأجل. في نوفمبر 2006 ، ساعدت Sun Power West Basin في تركيب وإكمال مجموعة الخلايا الكهروضوئية ، والتي تتكون من 2,848 وحدة وتولد 564 كيلووات من التيار المباشر. يتم تثبيت النظام على الجزء العلوي من خزان معالجة الخرسانة تحت الأرض في المنطقة. يمكن لنظام توليد الطاقة الكهروضوئية الشمسية في حوض الغرب أن يولد حوالي 783,000 كيلوواط / ساعة من الطاقة المتجددة النظيفة كل عام ، مع تقليل تكلفة المرافق العامة بأكثر من 10٪. منذ تركيب النظام الكهروضوئي في عام 2006 ، بلغ الناتج التراكمي للطاقة اعتبارًا من يناير 2014 5.97 جيجاوات. توضح الصورة أدناه النظام الكهروضوئي في الحوض الغربي.

مقاطعة رانشو كاليفورنيا للمياه ، محطة سانتا روزا للمياه المعالجة ، موريتا ، كاليفورنيا

منذ إنشائها في عام 1965 ، قدمت Rancho California Water District (Rancho California Water District ، RCWD) مياه الشرب ومعالجة مياه الصرف الصحي وخدمات معالجة إعادة استخدام المياه إلى مناطق داخل دائرة نصف قطرها 150 ميلاً مربعاً. منطقة الخدمة هي Temecula / RanchoCalifornia ، بما في ذلك مدينة تيميكولا وأجزاء من مدينة موريتا ومناطق أخرى في مقاطعة ريفرسايد.

RCWD لديه رؤية استشرافية وحساسة للغاية للبيئة والتكاليف الإستراتيجية. في مواجهة زيادة تكاليف المرافق العامة وتكاليف الطاقة السنوية التي تزيد عن 5 ملايين دولار أمريكي ، اعتبروا توليد الطاقة الكهروضوئية الشمسية كبديل. قبل النظر في أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية ، قام مجلس إدارة RCWD بتقييم سلسلة من خيارات الطاقة المتجددة ، بما في ذلك طاقة الرياح ، وخزانات التخزين التي يتم ضخها ، وما إلى ذلك.

في يناير 2007 ، مدفوعًا ببرنامج كاليفورنيا للطاقة الشمسية ، تلقت RCWD جائزة الأداء فقط 0.34 دولار لكل كيلوواط / ساعة من الكهرباء في غضون خمس سنوات بموجب اختصاص المرافق العامة المحلية. يمارس RCWD PPA من خلال SunPower ، بدون نفقات رأسمالية. يحتاج RCWD فقط إلى دفع ثمن الكهرباء المولدة بواسطة النظام الكهروضوئي. يتم تمويل النظام الكهروضوئي وتملكه وتشغيله بواسطة SunPower.

منذ تركيب النظام الكهروضوئي RCWD بقدرة 1.1 ميجاوات في عام 2009 ، كانت المنطقة تتمتع بالعديد من الفوائد. على سبيل المثال ، يمكن لمرفق استصلاح المياه في سانتا روزا (مرفق سانتا روزا لاستصلاح المياه) توفير 152,000 ألف دولار أمريكي في التكاليف سنويًا ، مما يعوض ما يقرب من 30٪ من احتياجات الطاقة بالمحطة. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لأن RCWD تختار اعتمادات الطاقة المتجددة (RECs) المتعلقة بنظامها الكهروضوئي ، يمكنها تقليل أكثر من 73 مليون رطل من انبعاثات الكربون الضارة في الثلاثين عامًا القادمة ، ولها تأثير إيجابي في السوق على البيئة.

من المتوقع أن يوفر نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية ما يصل إلى 6.8 مليون دولار أمريكي من تكاليف الكهرباء للمنطقة في السنوات العشرين القادمة. النظام الكهروضوئي الشمسي المثبت في مصنع RCWD Santa Rosa هو نظام تتبع الإمالة. بالمقارنة مع نظام الإمالة الثابتة التقليدية ، فإن معدل عائد إنتاج الطاقة لديها أعلى بحوالي 20٪. لذلك ، فهو مشابه للنظام الكهروضوئي أحادي المحور وثابت مقارنة بنظام الإمالة ، كما تم تحسين فعالية التكلفة بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك ، يتطلب نظام التتبع المائل مساحة أكبر لتجنب انسداد خط الظل بخط ، ويجب توجيهه في خط مستقيم. نظام التتبع المائل له حدوده. على غرار نظام التتبع أحادي المحور ، يجب أن يتم بناؤه في منطقة مستطيلة مفتوحة وغير مقيدة.