污水處理廠光伏發電應用前景初探
——以湖南某污水處理廠為例

■ 吳友煥余國保 張玲 李進 羅多 劉遠祿

珠海興業綠色建筑科技有限公司

污水處理廠光伏發電應用前景初探
——以湖南某污水處理廠為例

■ 吳友煥*余國保 張玲 李進 羅多 劉遠祿

珠海興業綠色建筑科技有限公司

以湖南某污水處理廠為例，根據實際情況，從技術、施工、經濟等方面分析污水處理廠光伏項目的可行性，并分析項目的難點所在，提出針對性的解決方案，為工程實際應用提供理論參考。

污水處理；光伏發電；可行性；柔性支架

0　引言

我國污水處理廠數量眾多，據統計，2013年全國共調查統計5364座城市污水處理廠，設計日處理能力為16573.7萬m3，全年共處理廢水456.1億m3[1]。污水處理廠是能耗大戶，我國城市污水處理廠平均電耗為0.292 kWh/m3[2]，若全國污水處理廠按日處理能力16573.7萬m3計算，每天用于污水處理的電量高達4839.5萬kWh，相當于葛洲壩水電站1天的發電量；全年耗電133.18億kWh，約占社會總用電量的0.2%[3]。

同時，污水處理廠總占地面積大。根據《城市生活垃圾處理和給水與污水處理工程項目建設用地指標[建標2005]》中對城市污水處理廠建設用地面積的相關規定，若取值0.6～0.7 m2/ (m3·d)，按日處理能力16573.7萬m3計算，全國污水處理廠占地面積約為9944.22～11601.59萬m2。如此大規模的占地面積，如果用于太陽能光伏發電系統建設，可有效緩解光伏發電項目用地緊張的問題，增加土地利用價值的同時，也將為污水處理廠帶來相當可觀的收入。假設這些面積中的1/3可用于布置光伏組件，那么布置的總裝機容量可達3.3 GW。根據經驗系數法，光伏發電年均發電量E可按式(1)計算：

式中，P為系統安裝容量；K為經驗系數，根據當地日照情況，一般取0.9～1.8 kWh/(W·年)，即每瓦裝機容量年發電量為0.9～1.8 kWh，此處取1.0[4]。

根據式(1)可知，年均發電量可達33億kWh，相當于節約105.6萬t標準煤，每年可減排SO2約2.53萬t，CO2約247.5萬t，煙塵約0.106 萬t，具有明顯的經濟效益、環境效益及社會效益。

目前，我國污水處理廠光伏發電項目尚處于探索階段，實際案例為數不多，已見諸報端建成的項目有北京良鄉衛星城污水處理廠光電建筑示范項目[5]、臺州污水處理廠光伏發電項目[6]等少數幾個，涉及的文獻資料也相對較少。鑒于此，本文以湖南某污水處理廠的實際情況為例，從技術、施工及經濟等方面分析污水處理廠光伏項目的可行性，為工程實際應用提供理論參考和技術指導。

1　湖南某污水處理廠概況

1.1總體概況

該污水處理廠位于湖南省湘潭市某地，地理坐標為27.50°N，112.56°E；海拔為52±4 m；方位為南偏西19°；占地面積為97391.1 m2，其中氧化溝、水池等構筑物占地面積為32339.5 m2。污水廠設計總規模為30萬m3/d，已建成規模為20萬m3/d，采用我國引進、新建污水處理中應用最多的工藝——氧化溝工藝[7]。

1.2太陽能資源

湘潭全市累年平均日照總時數1530.7～1642.0 h，年日照百分比為34%～36%。其中，夏季日照時數最大，約占全年日照時數的38.3%；冬季日照時數最小，約占全年日照時數的10.8%，如圖1所示。

圖1　湘潭市累年各季平均日照時數(單位：h)

項目所在地屬于一般太陽能資源帶，資源等級為C級，累年平均日照時數為1586.5 h；峰值日照時數為3.33 h。

本階段采用3.33 kWh/(m2·d)日均輻照量作為該項目設計依據，則年輻照量為1215.45 kWh/ (m2·a)。根據我國太陽能資源年輻照量等級(如表1所示)，可知項目所在地太陽能資源比較豐富，完全可進行光伏發電項目建設。

表1　太陽能資源年輻照量等級［8］

1.3氣象條件

因項目位于湖南省湘潭市內，故將國際通用衛星數據庫1978～2008年湘潭氣象信息作為系統設計的依據。

與太陽能發電相關的氣象要素特征值如表2所示。

表2　湘潭氣象要素表

2　光伏發電可行性分析

2.1難點分析

經現場勘查發現，與常規的地面光伏電站相比，在污水處理廠建光伏發電站存在以下幾方面的難點：

1)由于污水處理廠是按相關標準規范建造的，用地緊湊、功能明確，可用于布置光伏組件的區域僅為廠區內建筑物屋頂、停車棚、污水處理池上方，且不能影響其原有功能，增加了工程設計和施工難度；

2)由于污水處理池運作的特殊性，池內有不間斷運行的刮泥裝置，使池內部不能立柱，且池的寬度較大(40～50 m)，針對固定光伏組件的結構，我們不僅要解決大跨度的問題，還要顧及抗風荷載問題；

3)由于需定期對污水處理池清淤，布置光伏組件需考慮預留足夠作業空間；

4)由于污水處理池散發的氣體對金屬具有一定的腐蝕性，需考慮光伏組件及固定結構的防銹問題；

5)由于廠內地下埋有管道線路，埋樁及布線不能干涉及損壞原有管道線路，在不破壞原有景觀的同時，對結構設計的美觀性也有較高要求。

2.2技術可行性分析

針對污水處理廠的特殊性及上文所述難點，本光伏項目采用柔性光伏支架安裝方式，如圖2所示。

圖2　柔性光伏支架效果圖

柔性光伏支架可避免光伏組件對污水處理池的日常運行造成影響，很好地解決了跨度大的問題，同時也能滿足抗風荷載的要求。當支架的設置高度足夠大(高出水池平面3～4 m)，則不會影響水池的清淤作業。該支架具有以下幾方面的優點：

1)柔性光伏支架對場地基礎要求較小，預裝性強；

2)解決項目橫向跨度大、易腐銹等傳統光伏支架系統存在的難題；

3)通過懸、拉、掛、撐4大安裝方法，實現上、下、左、右各方向的自由架設；

4)與傳統鋼架結構方案相比，柔性光伏支架的用量少、承重小，將大幅縮短整體施工周期；

5)柔性光伏支架將更適用于普通山地、荒坡、水池、漁塘及林地等多種大跨度應用場地。

2.2.1光伏方陣設計

本項目建設布置容量為1.03 MWp，共采用260 Wp多晶硅光伏組件4120塊。光伏組件的固定方式采用傾角固定，光伏組件的布局根據當地的日照輻射情況及場址條件確定，最佳傾角為23°，陣列方位為0°；并充分考慮光伏組件之間的遮擋問題，經專業陰影分析軟件EcoTect對項目中前后兩個光伏串列進行模擬太陽運行軌跡分析，取全年中陰影最長當天(冬至日)9:00～15:00區間，該鋼架安裝的光伏組件基本不受陰影遮擋，選取前后排光伏陣列的凈距為2.5 m，保證全年都能高效發電、穩定運行，如圖3所示。

圖3　光伏方陣效果圖

2.2.2方陣接線設計

光伏組件串、并聯數的確定主要依據其組件的電性能參數、逆變器的參數、當地溫度和瞬時輻射強度對開路電壓、工作電壓及功率的影響來分析。

1)串聯電壓匹配。光伏組件的串聯電壓之和要小于光伏組件的耐受電壓，即：

式中，S為光伏組件的串聯數；Voc為光伏組件開路電壓，Voc=38.1 V；Vmp為逆變器的耐受電壓，V。

因Voc(STC)為考慮溫度影響的光伏組件開路電壓，即Voc(STC)=Voc[1+β(Tmin–25)]，則：

式中，β為組件開路電壓溫度系數，取-0.34%/℃；Tmin為光伏系統所選場址極端最低氣溫，Tmin=3.2 ℃。

逆變器的MPPT工作范圍：串聯光伏組件的工作電壓值在逆變器的MPPT范圍之內，即：

式中，VDCmppt min為逆變器最小輸入電壓；VDCmppt max為逆變器最大輸入電壓；Vmppt string為串聯光伏組件的工作電壓。

已知Voc=38.1 V，β=-0.34%/℃，Tmin=3.2 ℃，Vmp=1000 VDC，VDCmppt max=1000 VDC，代入式(1)～(3)，可得出光伏組件串聯數為24組，根據實際情況選用20組串聯。

2)并聯電流匹配。光伏陣列的最大電流不超過逆變器的允許最大直流電流，光伏組件短路電流為9.04 A，22塊板串聯后，電流不變，仍為9.04 A，所選500 kW逆變器最大輸入電流為1225 A，可得光伏方陣輸入并數為135，根據實際布板需要，本系統設計的1000 kW箱式逆變器內部含有2臺500 kW逆變器，每臺輸入并數為103。

2.2.3光伏發電量計算

本項目按25年運營期考慮，系統25年電量輸出衰減幅度為每年衰減0.8%。年發電量按25年的平均年發電量考慮，根據當地氣象資料及電池板的固定方式等，最終計算光伏組件接受的傾斜面上的年輻射量為1260 kWh/m2。

光伏發電站上網電量可按式(4)[9]計算：

式中，EP為光伏系統發電量，kWh；HA為水平面太陽能總輻照量，kWh/m2；PAZ為組件安裝容量，kWp；ES為標準條件下的輻照度，為常數，ES=1 kWh/m2；K1為綜合效率系數，取75%。

經計算，本項目運營期內年發電量如圖4所示。25年總發電量約為21265 MWh，年平均發電量為850.6 MWh。

圖4　第1～25年理論發電量

2.2.4防雷、接地及過電壓保護設計

1)防雷。太陽能光伏并網電站防雷主要是防直擊雷和雷電侵入波兩種。光伏組件邊框為金屬材質，將光伏組件邊框與支架可靠連接，然后與接地網連接；為增加雷電流散流效果，可將站內所有光伏組件支架可靠連接。在動態無功補償裝置附近設置獨立避雷針，以實現直擊雷保護；電氣室屋頂設置避雷帶，以實現對戶內設備的直擊雷保護；在開關柜內裝設無間隙氧化鋅避雷器，對雷電侵入波和其他過電壓進行保護[10]。

2)接地。充分利用每個光伏組件基礎內的鋼筋作為自然接地體，根據現場實際情況及土壤電阻率敷設不同的人工接地網，以滿足接地電阻的要求。

對所有要求接地或接零的設備均應可靠地接地或接零。所有電氣設備外殼、開關裝置和開關柜接地母線、架構、電纜支架和其他可能引發事故的帶電金屬物都應可靠接地[10]。

電站的保護接地、工作接地采用一個總的接地裝置。高、低壓配電裝置共用接地系統，接地電阻要求R≤4 Ω[11]。本電站擬敷設50 mm×5 mm接地扁鋼，光伏組件支架均可靠連接到接地網，接地扁鋼敷設深度≥0.8 m。

2.3施工可行性分析

2.3.1施工條件

交通條件便利，原有道路可滿足施工要求；施工用水、生活用水、消防用水可考慮在就近管網直接引接；施工用電可從就近的配電網架引接至工地。

砼工程：現澆砼工程采用現場機械攪拌。

2.3.2施工工序設計

施工工序總體安排如圖5所示。

圖5　施工工序流程圖

2.3.3施工特點

1)工程施工范圍大，施工點多，需頻繁移動施工力量，特別是吊裝設備；

2)光伏組件及其支架都成陣列式布置，支架分布較多，屬高空作業；

3)電站占地面積較大，施工工期緊，適宜多人分場地同時安裝、施工。

2.4經濟可行性分析

2.4.1工程設計概算

本工程靜態投資為2015年價格水平。工程費用分為建筑工程費、設備購置費、安裝工程費及其他費用等，各費用如表3所示。

表3　靜態投資劃分表

2.4.2效益分析

本項目發電量全部上網，項目運營期25年。按年均發電量約850.6 MWh計算，湖南工業用電價格為0.906元/kWh，每年節約電費77.06萬元；發電全量補貼(稅后)為國家 0.42 元/kWh(暫定20年補貼期限)，湖南省0.2元/ kWh(暫定10年補貼期限)，每年獲發電補貼約52.74萬元，項目資本金內部收益率為7.25%，則靜態投資回收期約為8年。因此，該項目的經濟效益良好，利潤可觀。

3　環境效益分析

光伏發電是將太陽能轉換為電能，與相同容量的燃煤電廠相比，可節約煤炭資源并減少污染物排放。本光伏電站每年可為電網提供電量約850.6 MWh，每年可節約標準煤296.01 t；每年可減排SO2約7.11 t，CO2約769.63 t，煙塵約0.30 t。因此在增加發電量的同時，對當地的大氣環境質量不產生任何影響。

若在我國現有污水處理廠建光伏發電項目，總裝機容量為3.3 GW，設計運營25年，投資回收期為10年，年均總發電量約為33億kWh，按0.8 元/kWh計算，則共創收660億元；與燃煤電廠相比，相當于節約2640萬t標準煤，減排SO2約為63.25萬t，CO2約為6187.5萬t，煙塵約為2.65萬t。

4　結論

本項目關鍵的技術難點在于如何在污水處理池上方安置光伏組件。光伏組件擬采用柔性光伏支架的方案，使用一種新的連接件，可減少光伏組件的隱裂問題，減少因連接件與拉索的長期摩擦造成拉索保護層的損傷，該方案在技術上可行。

本項目設計中對防雷、接地、防火、防電磁輻射等方面采取了相應的技術防范措施，盡可能將危害職工勞動安全的各種因素控制到最小或最低程度，為電廠安全生產、減少事故發生及保障職工安全創造了較好的條件。

污水處理廠光伏發電項目不影響污水處理的正常運行，還節約土地資源；為污水處理廠節能降耗的同時，也創造可觀的收入，具有明顯的經濟效益、社會效益及環境效益。

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2015-11-17

2015年廣東協同創新與平臺環境建設專項資金(2015B090903051)

吳友煥 (1983—)，男，碩士，主要從事太陽能光伏工程方案設計方面的研究。wuyouhuan@zhsye.com