分布式光伏發電系統應用于污水處理廠的分析

許 威，桂樹強，李海峰，彭揚東，王艷秋

(1.中冶集團武漢勘察研究院有限公司，湖北 武漢 430080;2.遼寧科技大學 化學工程學院，遼寧 鞍山 114051)

1 引言

我國的能源消耗以煤為主，煤炭資源在一次能源消費結構中占70%左右，能源結構需要優化，人均碳排放量已接近世界平均水平，已成為世界第二大二氧化碳排放國，生態環境壓力明顯。為了落實能源電力“碳達峰、碳中和”的行動方案，低碳發展已成為“必選動作”，光伏成為未來重要能源之一，同時為了充分有效地調動光伏制造企業、光伏發電企業等主體的積極性，國家能源局出臺強制標準要求建筑物上加裝光伏，實現光伏建筑一體化應用，全面建設綠色工廠。城鎮污水處理廠有著大面積的污水處理水池和附屬構筑物屋面及其他閑置用地，利用其加裝分布式光伏發電系統有著得天獨厚的空間優勢[1]。

與此同時，城鎮污水處理廠多數要求運行年限都很長，污水處理年均耗電量比較大，這不僅對于光伏項目的收益、持續性都有保障，而且也使得污水處理廠的土地實現了二次利用，節約工程成本。隨著碳中和的長期政策提出并實施，水務+光伏是一項重要的開發資源，使用清潔綠色電力勢在必行[2]。

2 水務+光伏可行性分析

由于水處理工藝技術的原因，以及對于環境保護的要求，傳統的城鎮污水處理廠為了滿足污水經處理后實現達標排放，大多污水處理廠不斷完善工藝設施以及提標改造并進行深度處理，導致能耗偏高、運行成本增加等問題[3]。基于上述出現的問題現狀，通過引入光伏發電系統，所發電能采用“自發自用，余電上網”模式，滿足城鎮污水處理廠的用電需求[4]。采用該種模式，不僅可以節約能耗，補充企業用電，減少當地電網的壓力。而且多余的電能還可以帶來可觀的經濟效益，污水處理廠引入光伏發電的模式，符合國家的產業政策，優化了能源結構，使用綠色能源，是一種可行的創新的環保發展方向。同時，充分利用閑置屋面和廠區，對促進我國太陽能光伏發電技術的開發與利用，推進光伏產業發展具有非常重要的意義[5]。

3 分布式光伏發電系統應用于污水處理廠優點及不足

3.1 優點分析

在污水處理廠構筑物上方空間布置光伏組件，可以實現空間資源最大程度的有效利用。布置在構筑物上方成片的光伏組件遮擋污水處理池，一方面對水處理設施進行有效封閉，另一方面抑制了水池內藻類的生長，提高了污水處理效率和水質。

傳統城鎮污水處理廠為了滿足環保的要求，使污水達標排放，往往致使耗能很高。污水處理廠引入分布式光伏發電系統，可以有效節約電費支出成本，還可以帶來諸多經濟效益、環境效益、社會效益等。污水處理廠一般占地面積較大，使得光伏裝機容量可觀，并且分布式光伏安裝對原結構影響較小，不影響污水處理廠正常的生產運營，減小了施工成本和維護成本,施工周期短[6]。

實現碳中和，電力的低碳化是最基本的先決條件。光伏發電可以大大節約煤炭資源，每年可減少多種大氣污染物的排放，減少SO2、CO2、NOx等排放量，減少了有害物質排放量，減輕環境污染，從而改善了大氣環境質量。光伏電站是將太陽能轉化成電能的過程，在整個工藝流程中，不產生大氣、液體、固體廢棄物等方面的污染物，也不會產生大的噪聲污染。因此，光伏電站的運行不會對周邊環境和生態造成污染或負面影響。

3.2 問題分析

考慮到分布式光伏應用于污水處理廠也存在些許問題，首先光伏發電受氣象條件影響較大，隨著每天時間以及季節的變化，光照的時間、強度不同，光伏發電系統的發電量不穩定，這也對污水處理廠的供配電系統的平穩運行構成了一定的壓力。污水處理廠大多需要連續運行，在夜間光伏系統不能為設備連續供電。在污水處理構筑物上搭建光伏組件，不能超過構筑物的承重要求，同時不能影響污水處理工藝。

但綜合考慮來看，城鎮污水處理廠引入光伏發電的方式利大于弊的，光伏發電屬國家大力支持的可再生能源產業，具有明顯的環保和節能效果。光伏發電是直接利用太陽能發電的一項高新技術，具有安全可靠、無噪聲、無污染，不受地域限制，無需消耗燃料，無機械轉動部件，故障率低，維護簡便，可以無人值守，建站周期短，規模大小隨意，無需額外架設輸電線路，可以方便地與污水處理廠相結合等優點。這些優點都是常規發電和其他發電方式所不可比擬的。并且光伏發電系統的運行不會對周邊環境和生態造成污染或負面影響，從節約煤炭資源和環境保護角度來分析，光伏電站的建設具有較為明顯的經濟效益、社會效益及環境效益[7]。

4 污水處理廠能耗分析

4.1 主要構筑物能耗指標

污水處理廠的污水處理能耗通常體現在生化處理、深度處理以及污泥處置部分[8]，根據污水處理廠建設參考標準進行統計知，城鎮污水處理廠常規污水處理工藝各組成部分能耗非常大[9]，本文以1萬m3/d污水處理規模為例，統計城鎮污水處理廠的主要構筑物能耗指標，見表1。

表1 城鎮污水處理廠主要構筑物的能耗指標

4.2 耗氧污染物削減電耗分析

對于不同工藝規模下的污水處理廠單位耗氧污染物削減電耗情況如表2所示，從表2可以看出，傳統污水處理廠的單位污水耗能較高[10]，污水處理廠單位耗氧污染物削減電耗分布在0.58～3.05 kW·h/m3，而且其中并不包括污泥處理部分的耗能，這對于污水處理廠的支出費用無疑是巨大的，運營成本的占比大，不利于污水處理廠的良好運營，與節能環保的理念相違背，不利于可持續運營發展[11]。

表2 耗氧污染物削減電耗統計 kW·h/m3

5 “水務+光伏”項目案例

5.1 太陽能資源分析

基于上述概況，本文進一步以安徽省蕪湖市某區域內污水處理廠新建光伏發電項目為例，根據安徽省氣象局數據和結合了Meteonorm氣象數據軟件太陽能輻射數據顯示，蕪湖市多年太陽能年總輻射量Meteonorm 數據為4406 MJ/m2，近30年間太陽能年總輻射量平均值為1223 kW·h/m2。屬于太陽能資源總量“較豐富帶”，最近20年蕪湖市太陽能年總輻射量的相對極差為23.4%，相對標準偏差5.9%；最近10年蕪湖市太陽能年總輻射量的相對極差為18.6%，相對標準偏差5.3%，近20年總輻射量變化平穩。根據《太陽能資源評估方法》(QX/T89-2018)中太陽能資源豐富程度的分級評估方法，該區域的太陽能資源豐富程度屬C級，即“資源豐富”(3780 MJ/m2≤GHR<5040 MJ/m2)，能保證項目場址地區有較好的發電量，有良好的開發前景[12]。

5.2 工程設計

該區域內污水處理廠上的光伏組件是沿污水處理池體上以及屋面平鋪進行布置，在水池池體上搭建鋼結構框架，將光伏組件安裝在鋼結構框架上，這樣對原結構影響較小，不影響污水處理廠的正常生產運營。采用低壓并網，每個并網點由逆變器逆變成交流電后接入低壓并網柜，再分別接入廠區原有配電房變壓器低壓母線側，光伏電站以380 V等級接入廠區配電房，多余電量上傳電網。

5.3 發電量估算

考慮發電量損失因素，本文根據項目實際情況和經驗系數得到各主要部分損失取值，光伏發電系統效率影響因素主要包括直流電纜、交流電纜的損失、分別取值2%、0.8%；防反二極管及線纜接頭的損失，取值1.5%；因組串的輸出電流由其中最差的組件決定，且實際上每一塊組件的電流特性都不同，所以會帶來組件失配的損失，取值4%；在實際工程項目中，由于當地氣候、周圍環境等原因，會產生灰塵遮擋造成的損失，取值2.5%；以及不可利用的太陽能輻射損失，取值1.2%；和由于設備檢修及其他維護損失，取值1.5%；熱效應造成的溫度損失等，取值4%。最終通過計算綜合系統效率Φ=(1-μ1)×(1-μ2)×(1-μ3)×…×(1-μ8)=0.98×0.985×0.96×…×0.96=0.82。

根據計算得綜合系統效率Φ為82%，并以Retscreen軟件查詢安徽省蕪湖市氣象數據綜合考慮(表3)計算發電量，單晶硅光伏組件在光照及常規大氣環境中使用會有衰減，按系統第一年衰減2%，以后每年輸出衰減0.6%計算，總裝機容量約17.458 MWp，蕪湖市平均日照3.74 kW·h/m2/day,計算不同年份發電量：

表3 氣象數據統計

L=W×Q×Φ×(1-γ%)×365

(1)

式(1)中：L為年發電量(kW·h)；W為系統裝機容量(kW)；Q為平均日照(kW·h/m2/d)；Φ為系統效率(%)；γ：逐年衰減率(%)。

由計算公式得到25年發電量，如表4所示。

表4 污水處理廠不同年份發電量

5.4 節能減排分析

根據以上該區域內污水處理廠合計總裝機容量17.458 MWp計算發電量，該光伏發電項目25年總發電量約為44681.22萬kW·h，25年平均年發電約1787.25萬kW·h。根據國際能源署(IEA)《世界能源展望2007》，中國的CO2排放指數為：0.814 kg/(kW·h)，我國火電廠每發電上網1 kW·h，需消耗標準煤305 g，排放6.2 g的硫氧化物(SOx)(脫硫前統計數據)和2.1 g的氮氧化物(NOx)(脫氮前統計數據)來看，該區域內光伏電站的建成，更加促進該區域內節能減排，能源優化，見表5。

根據表5計算，與相同發電量的火電相比，相當于每年可節約標煤5451.11 t(以平均標煤煤耗為0.305 kg/(kW·h)計)，相應每年平均可減少多種大氣污染物的排放，其中減少SOx排放量約110.81 t/a，CO2排放量約14548.21 t/a，NOx排放量約37.53 t/a，減少了有害物質排放量，減輕了環境污染，進一步改善當地生態環境。

表5 節能減排效益分析

5.5 收益分析

根據國家發展改革委關于2021年新能源上網電價政策有關事項的通知《發改價格(2021)833號》規定，本次測算上網電價按當地基準電價0.4143元/kW·h考慮，計算可得，該區域內光伏電站的建立預計25年可節省1.85億元[13]。

根據中國資源綜合利用協會可再生能源專業委員會和國際環保組織綠色和平發布的《中國光伏產業清潔生產研究報告》，光伏發電的能量回收周期僅約為1.3年，光伏系統的使用年限一般設計為25年，也就是說光伏發電系統可以保持在約24年里都是零碳排放，所以光伏發電在降低碳排放方面擁有壓倒性的優勢。另外，根據可再生能源開發的CCER(國家核證自愿減排量)可用來抵消5%的經核查排放量。以光伏發電項目開發CCER的工程經驗來看，100 MWp的光伏發電項目平穩運行平均每年可以開發出11萬tCCER，以此計算，本項目17.458 MWp在25年里可以開發出48萬tCCER。根據當前市場平均CCER成交價50元/t計算，該光伏電站的建成可以額外增加2400萬元的收益[14]。

城鎮污水處理廠引入光伏發電的模式，對于保護環境、減少大氣污染和水環境污染具有積極的作用，符合清潔生產原則。并且在一定程度上減少了非再生能源的消耗及其帶來的環境污染問題，能夠調整區域內能源結構，提高當地人民的生活質量，具有較大的清潔能源效益，促進當地經濟的發展，符合可持續發展要求[15]。

6 結論

(1)城鎮污水處理廠引入光伏發電系統，采用“自發自用，余電上網”模式，既實現了污水處理池體和附屬構筑物屋面及其他閑置用地的資源充分利用，又可以補充污水處理廠區日常使用的電力需求，減少當地電網壓力，節能減排，并獲得一定的收益。

(2)分析分布式光伏發電系統應用于污水處理廠的優點與不足，并以安徽省蕪湖市某區域內污水處理廠引入光伏發電系統為例，總共裝機容量17.458 MWp，25年總發電量為44681.22萬kW·h，25年平均年發電量為1787.25 kW·h，相當于每年可節約標煤5451.11 t，相應每年可減少SOx排放量約110.81 t/a，CO2排放量約14548.2 1t/a，NOx排放量約37.53 t/a，并且運行25年可節省電力成本1.85億元，并額外增加2400萬元的CCER收益,無論從環境、經濟、社會效益等方面來看，都是切實可行的。

(3)污水處理廠引入光伏發電系統，對于保護環境，節約能源，促進清潔生產具有積極作用。符合國家碳中和的戰略目標，優化傳統能源結構，值得推廣應用。