李美艷，彭建雄，楊 卓，耿利新，沈艷萍，陳小奇

（中車環(huán)境科技有限公司 北京 100160）

0 引 言

污水處理廠是重要的城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施，也是能耗密集型產(chǎn)業(yè)，巨大的能源消耗已經(jīng)成為污水處理行業(yè)不容忽視的問題。污水廠的能源消耗主要是電能，占總能耗的60%～90%。電能消耗大、運(yùn)行費(fèi)用高降低了污水處理廠的投資效益，甚至成為一些污水處理廠難以正常運(yùn)行的瓶頸［1］。在國家大力提倡節(jié)能降耗的背景下，污水處理廠的節(jié)能降耗應(yīng)引起足夠重視［2］。為了降低電耗，部分新建污水廠引入了分布式光伏發(fā)電技術(shù)，利用廠區(qū)廠房屋面和污水池上方的空間裝設(shè)太陽能電池板，白天可利用光伏發(fā)電提供電力抵消部分市電消耗，從而達(dá)到節(jié)能的目的［3］。

目前分布式光伏發(fā)電在污水廠應(yīng)用主要存在以下3個(gè)問題：①光伏發(fā)電系統(tǒng)的不穩(wěn)定增加了污水廠配供電系統(tǒng)的電源管理難度，對(duì)污水廠供配電系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行構(gòu)成一定的壓力［3］；②已建污水處理廠實(shí)施光伏發(fā)電系統(tǒng)存在基礎(chǔ)建設(shè)和安裝成本高、對(duì)建筑器材的防腐蝕要求高，導(dǎo)致投資回收期較長；③分布式光伏發(fā)電在大型污水處理廠的研究和應(yīng)用較多，而在小型污水處理廠的研究和應(yīng)用很少。這主要是由于大型污水廠擁有更大的占地面積，可供選擇建設(shè)光伏組件的地面大，水廠本身耗電量也高，故規(guī)模效益較為明顯。隨著縣域污水治理和農(nóng)村污水治理的需求增大，更多的小型污水廠逐步涌現(xiàn)。在有政策補(bǔ)貼的情況下，在小型污水廠建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)展現(xiàn)了較好的經(jīng)濟(jì)性［4-5］。但在補(bǔ)貼取消的大趨勢下，小型污水廠建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)是否具備經(jīng)濟(jì)可行性值得深入研究。

本研究以某小型污水處理廠為試點(diǎn)，旨在確定其運(yùn)行可靠性、實(shí)際投資回收期和潛在附加值，以期為分布式光伏發(fā)電在小型污水廠的推廣提供指導(dǎo)。

1 工程背景

1.1 污水處理廠概況

本分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝在毗鄰的2個(gè)污水廠內(nèi)，一個(gè)是生活污水廠，一個(gè)是工業(yè)污水廠。生活污水廠設(shè)計(jì)規(guī)模為3萬 t/d，實(shí)際規(guī)模為2.6萬t/d，處理工藝流程為氧化溝，污水處理單位能耗約為0.20 kW·h/m3。工業(yè)污水廠設(shè)計(jì)規(guī)模為5 000 t/d，實(shí)際運(yùn)行規(guī)模為3 000 t/d，處理工藝流程為水解酸化+改良A2O，污水處理單位能耗約為 0.71 kW·h/m3。表1為該污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)情況。由表1可知，該污水處理廠出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)Tab.1 Design influent and effluent quality單位：mg·L-1

1.2 項(xiàng)目所在地的自然環(huán)境

項(xiàng)目所在地為湖北省宜昌市某縣城，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量豐富，光照充足，氣候溫和，四季分明。年平均大于 10 ℃的活動(dòng)積溫 5 200 ℃以上，持續(xù)天數(shù)達(dá) 250 d。無霜期 250～300 d，年平均輻射量100.7 kcal/cm2（0.1171kW·h/cm2），年平均日照時(shí)數(shù)1 538～1 883 h，日照率 40%。該縣太陽能資源豐富，年平均太陽輻射比較穩(wěn)定，屬于太陽能輻射資源較豐富區(qū)域，能夠?yàn)楣夥娬咎峁┏渥愕墓庹召Y源。

2 光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過實(shí)地勘察，最終確定光伏組件安裝區(qū)域如圖1。圖中所標(biāo)示1、2、3處分別為活性砂濾池、二氧化氯消毒池和水解酸化池，3處面積共計(jì)約 1 500 m2。

圖1 光伏系統(tǒng)安裝位置圖Fig.1 Installation location of photovoltaic system

綜合考慮組件效率、技術(shù)成熟性、市場占有率、項(xiàng)目建設(shè)工期、廠家供貨能力和項(xiàng)目用地規(guī)模等多種因素，本工程選用高效單晶540 Wp光伏組件，其參數(shù)詳見表2。圖2、3分別為光伏系統(tǒng)組件排布效果圖及平面圖。本光伏發(fā)電系統(tǒng)組件的安裝方式為在水池周圍和池子上搭建鋼構(gòu)，傾斜方向朝南，傾斜角度15°～20°，共計(jì)安裝627 塊組件，安裝容量338.58 kW。光伏組件串聯(lián)后，分別接入2臺(tái)100 kW逆變器和4臺(tái)33 kW逆變器。采用 380 V 電壓就近接入廠區(qū)配電，并網(wǎng)模式為“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”。

圖2 光伏系統(tǒng)組件排布效果圖Fig. 2 Layout effect of photovoltaic system components

表2 太陽能電池組件性能參數(shù)Tab.2 Performance parameter of solar cell components

圖3為各區(qū)域組件排布圖，1號(hào)區(qū)域至3號(hào)區(qū)域分別鋪設(shè)光伏組件308塊、126塊和193塊，裝機(jī)容量分別為166.32、68.04、104.22 kW。立柱設(shè)計(jì)距離池面最高端高度為3.5 m，低端為2 m。

圖3 各區(qū)域組件排布平面圖Fig.3 Layout of components in each area

3 光伏系統(tǒng)發(fā)電量預(yù)測

按照遠(yuǎn)安縣年均有效日照1 000 h計(jì)算，第1年衰減2%，之后每年按4‰遞減，可以得到光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量預(yù)測，詳見表3。

表3 發(fā)電量預(yù)測Tab.3 Power generation forecast

4 運(yùn)行效果

4.1 發(fā)電量情況

該項(xiàng)目于2021年12月17日10點(diǎn)并網(wǎng)發(fā)電成功，已運(yùn)行一段時(shí)間。表4為自并網(wǎng)發(fā)電以來該光伏發(fā)電系統(tǒng)的每月發(fā)電量統(tǒng)計(jì)。截至2022年6月30日，項(xiàng)目已安全運(yùn)營196 d，累計(jì)完成發(fā)電量為189 211.8 kW·h，日均發(fā)電量為965.37 kW·h，高于預(yù)測日均發(fā)電量（871 kW·h）。最高發(fā)電量發(fā)生在5月2日，當(dāng)日晴天，正午溫度最高為28 ℃，當(dāng)日發(fā)電量高達(dá)2 086.3 kW·h。最低發(fā)電量發(fā)生在3月20日，當(dāng)日小雨，正午溫度最高為 7 ℃，當(dāng)日發(fā)電量低至52.4 kW·h。

表4 每月發(fā)電量統(tǒng)計(jì)Tab.4 Power generation statistics of each month單位：kW·h

圖4為光伏發(fā)電系統(tǒng)自運(yùn)行以來的每月發(fā)電量和每月日均發(fā)電量。由圖4可見，受天氣、光照時(shí)間影響，各月日均發(fā)電量差別較大，1 月發(fā)電量較少，主要原因是冬季日照時(shí)間較短，以陰天和多云天氣為主。5月進(jìn)入春末夏初，以晴天為主，日照時(shí)間長，日均發(fā)電量較多。6月雖然進(jìn)入夏季，但雨水較多，導(dǎo)致光照時(shí)間變短，日均發(fā)電量略低于5月。

圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)自運(yùn)行以來的每月發(fā)電量和每月日均發(fā)電量Fig.4 Monthly and average daily power generation of photovoltaic power generation system since its operation

圖5為光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)景圖。由圖5可知，光伏組件均建于池子上空，組件用支架支撐，與池面保持了一定的距離，不影響工人的日常巡視和設(shè)備的日常檢修。

圖5 光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)景圖Fig.5 Pictures of PV power system

4.2 抑制藻類生長情況

水解酸化池受光照后，藻類滋生迅速，夏季時(shí)需要加設(shè)遮擋物和定期噴藥。加蓋光伏組件后，抑制藻類效果較好。表5為日常藻類打撈數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表。從表5可知，11月每周平均打撈1竹簍筐，約30 kg，打撈人數(shù)2名，時(shí)間35 min。自11月29日加蓋光伏組件后，池中藻類逐步減少。12月平均每周打撈竹簍半筐，約15 kg，打撈人數(shù)1～2名，時(shí)間20 min。自2022年1月起，藻類較少，不需人工打撈。加蓋光伏板，可以降低水池內(nèi)的水溫并減少日照，抑制了藻類的生長和繁殖，從而減少了操作工的工作強(qiáng)度。此外，還減少了夏季采購遮蓋物的支出，降低了運(yùn)行成本。

表5 日常藻類打撈數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.5 Daily algae fishing data statistics

圖6 為水解酸化池安裝光伏組件前后的對(duì)比圖。光伏組件安裝前，水解酸化池約有一半的池面被藻類覆蓋。光伏組件安裝后，藻類不見蹤跡。光伏組件的安裝起到了抑制藻類生長繁殖的作用。

圖6 水解酸化池安裝光伏組件前后的對(duì)比圖Fig.6 Comparison diagram of hydrolysis acidification tank before and after installing photovoltaic modules

5 經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益

項(xiàng)目總造價(jià)約173萬元。根據(jù)廠區(qū)用電電費(fèi)結(jié)算單，用電量大于發(fā)電量，僅有少量余電上網(wǎng)，光伏系統(tǒng)的發(fā)電量基本能夠消納完畢。依據(jù)年平均發(fā)電量31.78 kW·h，按光伏發(fā)電站運(yùn)行期間的電價(jià)0.933元/kW·h進(jìn)行收益測算，年均收益約29.65萬元，靜態(tài)回收期5.83年。

本項(xiàng)目裝機(jī)容量為338.58 kW，25 年總產(chǎn)電量為7 946 188 kW·h。項(xiàng)目建成后與相同發(fā)電量的火電相比，25 年累計(jì)可為電網(wǎng)節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約 2 861 t（火電煤耗按 360 g/kW·h 計(jì)）。相應(yīng) 25 年累計(jì)可減少燃煤所造成的多種有害氣體的排放，其中二氧化硫（SO2）52 t，氮氧化物（NOx）25 t，碳粉塵 14 t，減輕排放溫室效應(yīng)性氣體二氧化碳（CO2）7 620 t。

6 結(jié) 語

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于小型污水處理廠，可以有效降低污水處理運(yùn)行中的電力成本，從而使得污水廠的運(yùn)營更加節(jié)能、高效。本分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)利用了活性砂濾池、二氧化氯消毒池和水解酸化池的上部空間，自并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行以來，運(yùn)行效果良好，日均發(fā)電量達(dá)837.84 kW·h。與相同發(fā)電量的火電相比，25 年累計(jì)可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約 2 860 t，累計(jì)可減排二氧化碳7 620 t。項(xiàng)目預(yù)計(jì)年收益為29.65萬元，靜態(tài)回收期為5.83年。