分布式光伏發電系統在小型污水處理廠的應用探索

李美艷，彭建雄，楊 卓，耿利新，沈艷萍，陳小奇

（中車環境科技有限公司 北京 100160）

0 引 言

污水處理廠是重要的城鎮基礎設施，也是能耗密集型產業，巨大的能源消耗已經成為污水處理行業不容忽視的問題。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］。在國家大力提倡節能降耗的背景下，污水處理廠的節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電技術，利用廠區廠房屋面和污水池上方的空間裝設太陽能電池板，白天可利用光伏發電提供電力抵消部分市電消耗，從而達到節能的目的［3］。

目前分布式光伏發電在污水廠應用主要存在以下3個問題：①光伏發電系統的不穩定增加了污水廠配供電系統的電源管理難度，對污水廠供配電系統的平穩運行構成一定的壓力［3］；②已建污水處理廠實施光伏發電系統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電系統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電系統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電在小型污水廠的推廣提供指導。

1 工程背景

1.1 污水處理廠概況

本分布式光伏發電系統安裝在毗鄰的2個污水廠內，一個是生活污水廠，一個是工業污水廠。生活污水廠設計規模為3萬 t/d，實際規模為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。工業污水廠設計規模為5 000 t/d，實際運行規模為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行《城鎮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

1.2 項目所在地的自然環境

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定，屬于太陽能輻射資源較豐富區域，能夠為光伏電站提供充足的光照資源。

2 光伏系統設計

通過實地勘察，最終確定光伏組件安裝區域如圖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分別為光伏系統組件排布效果圖及平面圖。本光伏發電系統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 電壓就近接入廠區配電，并網模式為“自發自用、余電上網”。

圖2 光伏系統組件排布效果圖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為各區域組件排布圖，1號區域至3號區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 各區域組件排布平面圖Fig.3 Layout of components in each area

3 光伏系統發電量預測

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，可以得到光伏發電系統的發電量預測，詳見表3。

表3 發電量預測Tab.3 Power generation forecast

4 運行效果

4.1 發電量情況

該項目于2021年12月17日10點并網發電成功，已運行一段時間。表4為自并網發電以來該光伏發電系統的每月發電量統計。截至2022年6月30日，項目已安全運營196 d，累計完成發電量為189 211.8 kW·h，日均發電量為965.37 kW·h，高于預測日均發電量（871 kW·h）。最高發電量發生在5月2日，當日晴天，正午溫度最高為28 ℃，當日發電量高達2 086.3 kW·h。最低發電量發生在3月20日，當日小雨，正午溫度最高為 7 ℃，當日發電量低至52.4 kW·h。

表4 每月發電量統計Tab.4 Power generation statistics of each month單位：kW·h

圖4為光伏發電系統自運行以來的每月發電量和每月日均發電量。由圖4可見，受天氣、光照時間影響，各月日均發電量差別較大，1 月發電量較少，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，日均發電量略低于5月。

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

圖5為光伏發電系統實景圖。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 光伏發電系統實景圖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

5 經濟效益與環境效益

項目總造價約173萬元。根據廠區用電電費結算單，用電量大于發電量，僅有少量余電上網，光伏系統的發電量基本能夠消納完畢。依據年平均發電量31.78 kW·h，按光伏發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電量的火電相比，25 年累計可為電網節約標準煤約 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。

6 結 語

分布式光伏發電系統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能、高效。本分布式光伏發電系統利用了活性砂濾池、二氧化氯消毒池和水解酸化池的上部空間，自并網發電運行以來，運行效果良好，日均發電量達837.84 kW·h。與相同發電量的火電相比，25 年累計可節約標準煤約 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，靜態回收期為5.83年。