光伏發(fā)電在污水廠節(jié)能減排中的應(yīng)用及案例分析

姚闊為 張鑫 王冠 濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司

“雙碳”生態(tài)文明建設(shè)為我國綠色電力能源的轉(zhuǎn)型帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)由于其綠色、安全、免維護(hù)及優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)勢，在綠色發(fā)電技術(shù)中脫穎而出。污水廠耗能中占比最高的為電耗，且隨水質(zhì)安全指標(biāo)的提高，耗電量將進(jìn)一步增加。因此將光伏發(fā)電應(yīng)用于污水處理廠中，可以有效地解決電量消耗高的問題，還可以提升空間利用率，節(jié)約土地資源。

1 光伏發(fā)電在污水廠節(jié)能減排中的應(yīng)用

1.1 光伏發(fā)電簡介

光伏發(fā)電技術(shù)是通過半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)，直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，其組成主要包括控制器、太陽能電池板和逆變器三部分。將太陽能電池串聯(lián)并封裝保護(hù)即可以形成大面積太陽電池組件，組合功率控制器等部件就可以形成光伏發(fā)電裝置。

1.2 光伏發(fā)電在污水水處理廠的應(yīng)用優(yōu)勢

（1）提升土地資源利用率

污水處理廠中的水處理構(gòu)筑物包含大面積的污水處理池，在頂部空余空間可進(jìn)行加裝光伏板，從而對(duì)土地進(jìn)行合理的二次開發(fā)利用，節(jié)約土地使用成本，提升土地資源利用率。

（2）降低污水處理成本

污水處理廠中各級(jí)構(gòu)筑物中用電設(shè)備多、功率大，直接生產(chǎn)成本高，是水廠耗能的主要組成部分。而污水廠由于持續(xù)運(yùn)行，用電負(fù)荷穩(wěn)定，利用光伏發(fā)電所產(chǎn)電量可以被水廠自用電消納，可實(shí)現(xiàn)自發(fā)自用。將光伏發(fā)電與污水處理有效結(jié)合，同時(shí)采用合同能源管理，可有效降低水處理成本及運(yùn)維管理成本。

（3）長期運(yùn)行穩(wěn)定性高

污水處理廠為長期使用的公共設(shè)施，使用年限長，停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)低，具有良好的長期投資穩(wěn)定性。

（4）長期運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益高

污水處理廠營收保障性較強(qiáng)，自發(fā)自用比例較高，具備很高的經(jīng)濟(jì)效益，且投資回報(bào)率高，可以穩(wěn)定收益，融資簡單。

（5）污水處理構(gòu)筑物加蓋需求

污水處理廠的部分構(gòu)筑物因工藝要求，需在頂部加蓋來對(duì)藻類的生長進(jìn)行抑制，因此在池面上方可以很好的契合，節(jié)約資源。

1.3 光伏發(fā)電的分類及其在污水處理廠中的應(yīng)用

光伏發(fā)電主要包括離網(wǎng)光伏發(fā)電、分布式光伏發(fā)電、并網(wǎng)光伏發(fā)電三種。與其他兩種發(fā)電類型相比，分布式光伏發(fā)電的運(yùn)行特點(diǎn)是用戶側(cè)自發(fā)自用、靠近用戶現(xiàn)場、多余電量上網(wǎng)，因此被應(yīng)用于污水處理廠中。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要基本設(shè)備有光伏電池組件、直流匯流箱、光伏方陣支架、并網(wǎng)逆變器、直流配電柜、交流配電柜等設(shè)備。除此之外還需要配備環(huán)境監(jiān)測裝置及供電系統(tǒng)監(jiān)控裝置。其中由于跨度和高度所限，傳統(tǒng)支架結(jié)構(gòu)無法在污水處理廠中進(jìn)行安裝，因此光伏方陣支架使用柔性支架，利用鋼索預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)可以很好地解決。同時(shí)，采用柔性光伏支架可有效避免光伏組件對(duì)污水處理池運(yùn)行造成影響，既能解決跨度大的問題，也能滿足抗風(fēng)荷載的要求。

2 山東某污水處理廠光伏發(fā)電項(xiàng)目案例分析

山東省某污水處理廠的工程總規(guī)模為4萬m3/d，分為近期建設(shè)規(guī)模2 萬m3/d，預(yù)留遠(yuǎn)期建設(shè)2 萬m3/d。該工程設(shè)計(jì)出水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)采用地方標(biāo)準(zhǔn)，主要水質(zhì)指標(biāo)介于地表水Ⅲ類和Ⅳ類之間。工藝流程使用“預(yù)處理+改良A2/O 生化池+二沉池+芬頓氧化+芬頓沉淀池+活性炭濾池+接觸消毒池”。污水廠地處南水北調(diào)和南四湖流域，流域重要性強(qiáng)，其建成將對(duì)保護(hù)南四湖流域及南水北調(diào)的水體環(huán)境起到重要的作用。

2.1 污水處理廠廠區(qū)光伏發(fā)電安裝區(qū)域及配電網(wǎng)概況分析

廠區(qū)一期建設(shè)規(guī)劃用地面積為49447.8m2；遠(yuǎn)期預(yù)留用地面積為15475.6m2；水池上部空間及建筑屋面可進(jìn)行安裝光伏的建筑面積為7100m2。

依據(jù)調(diào)研資料目前該污水處理廠廠區(qū)變電進(jìn)線電壓為10kV；本期工程設(shè)2 臺(tái)10/0.4kV/1000kVA 變壓器，一用一備分列運(yùn)行，變壓器負(fù)載率66%。依據(jù)調(diào)研溝通反饋目前廠區(qū)為24h 連續(xù)運(yùn)行，負(fù)荷比較平穩(wěn)。

2.2 污水處理廠光伏發(fā)電設(shè)備選型及分析

(1)光伏組件

當(dāng)前主要使用的太陽能電池包括單、多晶硅以及非晶硅等硅太陽電池。國內(nèi)商業(yè)化生產(chǎn)的光伏組件以單晶硅和多晶硅為主，其中單晶硅組件轉(zhuǎn)化效率在18%以上，相較于多晶硅組件可多發(fā)約3%的電能。隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展及國內(nèi)光伏政策的發(fā)布，單晶硅與多晶硅成本正進(jìn)一步縮小。

對(duì)組件的使用效率、技術(shù)成熟可靠性、市場使用及占有率，本項(xiàng)目擬選用單晶硅高效半片光伏組，見圖1。

圖1 單晶硅太陽電池

（2）光伏支架

光伏支架選型本著科學(xué)、適用、經(jīng)濟(jì)合理的原則，依據(jù)項(xiàng)目地自然、社會(huì)條件選用固定式單立柱鋼支架，二沉池上部空間架設(shè)柔性支架架設(shè)太陽能板。整個(gè)支架采用工廠預(yù)加工，現(xiàn)場螺栓連接，無須現(xiàn)場施焊，可使施工更快捷、更環(huán)保。光伏支架組件沿屋面平鋪，安裝傾角與屋面坡度一致。

（3）逆變器

逆變器是光伏電站的核心設(shè)備之一，其基本功能是光伏并網(wǎng)，通過逆變器將輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電。

本工程組件排布集中、裝機(jī)容量較大，根據(jù)屋頂排布容量、并網(wǎng)電壓等級(jí)及目前國內(nèi)逆變器市場情況，本工程按10kV 并網(wǎng)電壓方案可選擇大功率集中型逆變器和小型組串式逆變器兩種方案。根據(jù)廠房組件排布及廠區(qū)整體布置，為減少占地面積及避免因局部陰影遮擋造成的的發(fā)電量損失，本方案逆變器選擇具有多路MPPT 功能的110kW組串式逆變器。

（4）組件角度設(shè)計(jì)

方位角選擇：本項(xiàng)目組件平鋪于池體頂部及廠房屋頂，方位角為0°。傾角選擇：本項(xiàng)目組件沿池頂及廠房屋頂平鋪，傾角約為5°。

2.3 光伏組件布置分析

（1）水解酸化池、生化池、接觸消毒池

頂板采用混凝土密封，太陽能板直接布置在頂板上。同時(shí)池頂密封對(duì)污水系統(tǒng)的運(yùn)行也有以下好處：①便于臭氣收集；②利于冬季生化池保溫，保證生化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；③避免太陽光對(duì)水體的直射，有效減少夏季池內(nèi)藻類的滋生；④減少日光、雨雪對(duì)設(shè)備的侵蝕，延長設(shè)備使用年限。

（2）二沉池

受池型限制，需要在上部空間架設(shè)柔性支架架設(shè)太陽能板。太陽能板的架設(shè)一方面可以減少了太陽光對(duì)水體的直射，避免夏季生化池藻類的滋生；另一方面減少日光、雨雪等對(duì)設(shè)備的侵蝕，延長設(shè)備的壽命。

（3）芬頓反應(yīng)池及芬頓沉淀池、活性炭濾池

該部分池體位于系統(tǒng)末端，易受太陽光直射滋生藻類，影響出水水質(zhì)；因此多在其上部設(shè)有獨(dú)立房屋遮陽，太陽能板可以利用房屋頂部混凝土屋面。

2.4 光伏發(fā)電量及減排量預(yù)測

（1）光伏發(fā)電量預(yù)測

光伏電站發(fā)電量計(jì)算公式：

式中L—光伏并網(wǎng)電站年發(fā)電量，kWh；

W—固定式發(fā)電單元裝機(jī)容量，kWh；

t—最佳傾角面年均日照小時(shí)數(shù)，h；

η—光伏系統(tǒng)總效率。

由于采用的是單晶硅組件，在25 年后達(dá)到標(biāo)稱效率的80%以上，年衰減率第 1 年按2.0%衰減計(jì)算，第 2～10 年按 0.85%的衰減計(jì)算，第11 年～25 年按0.66%的衰減計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，預(yù)測發(fā)電量為光伏系統(tǒng)25 年合計(jì)發(fā)電量4239.25 萬kWh，年均發(fā)電量為169.57 萬kWh。

（2）系統(tǒng)運(yùn)行方式

白天：通過光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)換為直流電，之后轉(zhuǎn)換的直流電經(jīng)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)為用電設(shè)備可使用的交流電。

夜晚：夜間光伏組件不提供電力，由電力公司提供的常規(guī)電力供電供給水廠用電，包括光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備用電。

（3）自用電和余電上網(wǎng)量預(yù)測

年均光照有效利用小時(shí)數(shù)依據(jù)1600h 進(jìn)行計(jì)算，光伏年均發(fā)電量為QZ=169.57 萬kWh；污水廠有功功率 620.39kW。

年均光伏發(fā)電中的自用電量(Q1)：Q1=620.39×1600=99.3 萬kWh。

年均光伏發(fā)電的余電上網(wǎng)量(Q2)：Q2=QZ-Q1=70.27 萬kWh。

自用電量占光伏發(fā)電總量的比例：N=Q1÷QZ=58.6%。

（4）減排量預(yù)測

光伏發(fā)電減排量預(yù)測值見表1。

表1 光伏發(fā)電減排量預(yù)測表

3 案例效益分析

3.1 社會(huì)效益

光伏發(fā)電技術(shù)由于其綠色環(huán)保性、可再生性、低能源消耗的特性，可以很好地改善電力能源的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，創(chuàng)建綠色低碳社會(huì)。

3.2 環(huán)境效益

該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了“供電—處理污水自來水”的綠色清潔生產(chǎn)模式，具有良好的循環(huán)經(jīng)濟(jì)效益。

利用污水處理廠構(gòu)筑物頂部空間打造太陽能光伏電站提供自用電量及生產(chǎn)用電，充分利用清潔能源實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能。

污水處理廠年削減COD 約2336t，氨氯281.05t。與化石能源相比，每年減排二氧化硫50.87t，氮氧化物25.44t，全國電網(wǎng)的排放因子取0.997CO2/ (MW-h)，全年減少溫室氣體二氧化碳的排放量1690.61t，充分實(shí)現(xiàn)大氣污染減排。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益

該項(xiàng)目根據(jù)建設(shè)地的地質(zhì)狀況及交通等信息進(jìn)行分析，確定具備建立光伏電站的基本條件。在太陽能資源落實(shí)的條件下，結(jié)合地貌、地形條件，通過科學(xué)、合理所確定的光伏陣列的布置，產(chǎn)生最大的經(jīng)濟(jì)效益。

直接效益：①建設(shè)項(xiàng)目的啟動(dòng)可以帶動(dòng)當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)行業(yè)的發(fā)展；②裝機(jī)容量的增加，可以提高發(fā)電收入，增加地方稅收。

間接效益：①通過建設(shè)光伏發(fā)電，優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，增加能源供給方式，可以建立良好的經(jīng)濟(jì)發(fā)展硬環(huán)境，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展；②增加居民就業(yè)，提高當(dāng)?shù)鼐用衿骄杖胨剑瑫r(shí)當(dāng)?shù)刎?cái)稅增加，帶動(dòng)公共設(shè)施建設(shè)，提升生活福利水平；③帶動(dòng)第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

4 結(jié)語

光伏發(fā)電技術(shù)與污水處理廠的結(jié)合，可以有效的節(jié)約占地面積，充分利用清潔能源進(jìn)行綠色發(fā)電，減少碳排放，節(jié)約能源。同時(shí)將光伏發(fā)電和污水處理廠相結(jié)合，具備較高的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。