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)
污水處理廠是重要的城鎮(zhèn)基礎設施,也是能耗密集型產業(yè),巨大的能源消耗已經成為污水處理行業(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、運行費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,利用廠區(qū)廠房屋面和污水池上方的空間裝設太陽能電池板,白天可利用光伏發(fā)電提供電力抵消部分市電消耗,從而達到節(jié)能的目的[3]。
目前分布式光伏發(fā)電在污水廠應用主要存在以下3個問題: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,對污水廠供配電系統(tǒng)的平穩(wěn)運行構成一定的壓力[3];②已建污水處理廠實施光伏發(fā)電系統(tǒng)存在基礎建設和安裝成本高、對建筑器材的防腐蝕要求高,導致投資回收期較長;③分布式光伏發(fā)電在大型污水處理廠的研究和應用較多,而在小型污水處理廠的研究和應用很少。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村污水治理的需求增大,更多的小型污水廠逐步涌現。在有政策補貼的情況下,在小型污水廠建設光伏發(fā)電系統(tǒng)展現了較好的經濟性[4-5]。但在補貼取消的大趨勢下,小型污水廠建設光伏發(fā)電系統(tǒng)是否具備經濟可行性值得深入研究。
本研究以某小型污水處理廠為試點,旨在確定其運行可靠性、實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。
本分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝在毗鄰的2個污水廠內,一個是生活污水廠,一個是工業(yè)污水廠。生活污水廠設計規(guī)模為3萬 t/d,實際規(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)污水廠設計規(guī)模為5 000 t/d,實際運行規(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為該污水處理廠設計進、出水水質情況。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準》(GB 18918—2002)中一級A標準。
表1 設計進、出水水質Tab.1 Design influent and effluent quality單位:mg·L-1
項目所在地為湖北省宜昌市某縣城,屬亞熱帶季風氣候,雨量豐富,光照充足,氣候溫和,四季分明。年平均大于 10 ℃的活動積溫 5 200 ℃以上,持續(xù)天數達 250 d。無霜期 250~300 d,年平均輻射量100.7 kcal/cm2(0.1171kW·h/cm2),年平均日照時數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,能夠為光伏電站提供充足的光照資源。
通過實地勘察,最終確定光伏組件安裝區(qū)域如圖1。圖中所標示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、技術成熟性、市場占有率、項目建設工期、廠家供貨能力和項目用地規(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,傾斜方向朝南,傾斜角度15°~20°,共計安裝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100 kW逆變器和4臺33 kW逆變器。采用 380 V 電壓就近接入廠區(qū)配電,并網模式為“自發(fā)自用、余電上網”。
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Tab.2 Performance parameter of solar cell components
圖3為各區(qū)域組件排布圖,1號區(qū)域至3號區(qū)域分別鋪設光伏組件308塊、126塊和193塊,裝機容量分別為166.32、68.04、104.22 kW。立柱設計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
按照遠安縣年均有效日照1 000 h計算,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)電量預測,詳見表3。
表3 發(fā)電量預測Tab.3 Power generation forecast
該項目于2021年12月17日10點并網發(fā)電成功,已運行一段時間。表4為自并網發(fā)電以來該光伏發(fā)電系統(tǒng)的每月發(fā)電量統(tǒng)計。截至2022年6月30日,項目已安全運營196 d,累計完成發(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,當日晴天,正午溫度最高為28 ℃,當日發(fā)電量高達2 086.3 kW·h。最低發(fā)電量發(fā)生在3月20日,當日小雨,正午溫度最高為 7 ℃,當日發(fā)電量低至52.4 kW·h。
表4 每月發(fā)電量統(tǒng)計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間較短,以陰天和多云天氣為主。5月進入春末夏初,以晴天為主,日照時間長,日均發(fā)電量較多。6月雖然進入夏季,但雨水較多,導致光照時間變短,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備的日常檢修。
圖5 光伏發(fā)電系統(tǒng)實景圖Fig.5 Pictures of PV power system
水解酸化池受光照后,藻類滋生迅速,夏季時需要加設遮擋物和定期噴藥。加蓋光伏組件后,抑制藻類效果較好。表5為日常藻類打撈數據統(tǒng)計表。從表5可知,11月每周平均打撈1竹簍筐,約30 kg,打撈人數2名,時間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1~2名,時間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度。此外,還減少了夏季采購遮蓋物的支出,降低了運行成本。
表5 日常藻類打撈數據統(tǒng)計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比圖Fig.6 Comparison diagram of hydrolysis acidification tank before and after installing photovoltaic modules
項目總造價約173萬元。根據廠區(qū)用電電費結算單,用電量大于發(fā)電量,僅有少量余電上網,光伏系統(tǒng)的發(fā)電量基本能夠消納完畢。依據年平均發(fā)電量31.78 kW·h,按光伏發(fā)電站運行期間的電價0.933元/kW·h進行收益測算,年均收益約29.65萬元,靜態(tài)回收期5.83年。
本項目裝機容量為338.58 kW,25 年總產電量為7 946 188 kW·h。項目建成后與相同發(fā)電量的火電相比,25 年累計可為電網節(jié)約標準煤約 2 861 t(火電煤耗按 360 g/kW·h 計)。相應 25 年累計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,減輕排放溫室效應性氣體二氧化碳(CO2)7 620 t。
分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)應用于小型污水處理廠,可以有效降低污水處理運行中的電力成本,從而使得污水廠的運營更加節(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,自并網發(fā)電運行以來,運行效果良好,日均發(fā)電量達837.84 kW·h。與相同發(fā)電量的火電相比,25 年累計可節(jié)約標準煤約 2 860 t,累計可減排二氧化碳7 620 t。項目預計年收益為29.65萬元,靜態(tài)回收期為5.83年。