污水處理廠光伏發(fā)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(yè)綠色建筑科技有限公司

污水處理廠光伏發(fā)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(yè)綠色建筑科技有限公司

以湖南某污水處理廠為例，根據(jù)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(fā)電；可行性；柔性支架

0　引言

我國污水處理廠數(shù)量眾多，據(jù)統(tǒng)計，2013年全國共調查統(tǒng)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(fā)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(jù)《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(guī)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(guī)模的占地面積，如果用于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)建設，可有效緩解光伏發(fā)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(jù)經驗系數(shù)法，光伏發(fā)電年均發(fā)電量E可按式(1)計算：

式中，P為系統(tǒng)安裝容量；K為經驗系數(shù)，根據(jù)當?shù)厝照涨闆r，一般取0.9～1.8 kWh/(W·年)，即每瓦裝機容量年發(fā)電量為0.9～1.8 kWh，此處取1.0[4]。

根據(jù)式(1)可知，年均發(fā)電量可達33億kWh，相當于節(jié)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(huán)境效益及社會效益。

目前，我國污水處理廠光伏發(fā)電項目尚處于探索階段，實際案例為數(shù)不多，已見諸報端建成的項目有北京良鄉(xiāng)衛(wèi)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(fā)電項目[6]等少數(shù)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(guī)模為30萬m3/d，已建成規(guī)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(shù)1530.7～1642.0 h，年日照百分比為34%～36%。其中，夏季日照時數(shù)最大，約占全年日照時數(shù)的38.3%；冬季日照時數(shù)最小，約占全年日照時數(shù)的10.8%，如圖1所示。

圖1　湘潭市累年各季平均日照時數(shù)(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(shù)為1586.5 h；峰值日照時數(shù)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(jù)，則年輻照量為1215.45 kWh/ (m2·a)。根據(jù)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(fā)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(wèi)星數(shù)據(jù)庫1978～2008年湘潭氣象信息作為系統(tǒng)設計的依據(jù)。

與太陽能發(fā)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(fā)電可行性分析

2.1難點分析

經現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)的地面光伏電站相比，在污水處理廠建光伏發(fā)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(guī)范建造的，用地緊湊、功能明確，可用于布置光伏組件的區(qū)域僅為廠區(qū)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(yè)空間；

4)由于污水處理池散發(fā)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(yè)。該支架具有以下幾方面的優(yōu)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(tǒng)光伏支架系統(tǒng)存在的難題；

3)通過懸、拉、掛、撐4大安裝方法，實現(xiàn)上、下、左、右各方向的自由架設；

4)與傳統(tǒng)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(jù)當?shù)氐娜照蛰椛淝闆r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(yè)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(qū)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(fā)電、穩(wěn)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(lián)數(shù)的確定主要依據(jù)其組件的電性能參數(shù)、逆變器的參數(shù)、當?shù)販囟群退矔r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(lián)電壓匹配。光伏組件的串聯(lián)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(lián)數(shù)；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(shù)，取-0.34%/℃；Tmin為光伏系統(tǒng)所選場址極端最低氣溫，Tmin=3.2 ℃。

逆變器的MPPT工作范圍：串聯(lián)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(lián)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(lián)數(shù)為24組，根據(jù)實際情況選用20組串聯(lián)。

2)并聯(lián)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(lián)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(shù)為135，根據(jù)實際布板需要，本系統(tǒng)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(shù)為103。

2.2.3光伏發(fā)電量計算

本項目按25年運營期考慮，系統(tǒng)25年電量輸出衰減幅度為每年衰減0.8%。年發(fā)電量按25年的平均年發(fā)電量考慮，根據(jù)當?shù)貧庀筚Y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(fā)電站上網電量可按式(4)[9]計算：

式中，EP為光伏系統(tǒng)發(fā)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(shù)，ES=1 kWh/m2；K1為綜合效率系數(shù)，取75%。

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

圖4　第1～25年理論發(fā)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(tài)無功補償裝置附近設置獨立避雷針，以實現(xiàn)直擊雷保護；電氣室屋頂設置避雷帶，以實現(xiàn)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(jù)現(xiàn)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(fā)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(tǒng)，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(xiàn)澆砼工程采用現(xiàn)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(yè)；

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(tài)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(tài)投資劃分表

2.4.2效益分析

本項目發(fā)電量全部上網，項目運營期25年。按年均發(fā)電量約850.6 MWh計算，湖南工業(yè)用電價格為0.906元/kWh，每年節(jié)約電費77.06萬元；發(fā)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(fā)電補貼約52.74萬元，項目資本金內部收益率為7.25%，則靜態(tài)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(huán)境效益分析

光伏發(fā)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(jié)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(jié)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(fā)電量的同時，對當?shù)氐拇髿猸h(huán)境質量不產生任何影響。

若在我國現(xiàn)有污水處理廠建光伏發(fā)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(fā)電量約為33億kWh，按0.8 元/kWh計算，則共創(chuàng)收660億元；與燃煤電廠相比，相當于節(jié)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(fā)生及保障職工安全創(chuàng)造了較好的條件。

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

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2015-11-17

2015年廣東協(xié)同創(chuàng)新與平臺環(huán)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