分布式光伏发电系统在小型污水处理厂的应用探索_李美艳.pdf

49 2023 年 2 月第 50 卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.50 No.2Feb.2023天 津 科 技 TIANJIN SCIENCE&TECHNOLOGY 应用技术分布式光伏发电系统在小型污水处理厂的应用探索李美艳，彭建雄，杨 卓，耿利新，沈艳萍，陈小奇（中车环境科技有限公司 北京 100160）摘 要：详细介绍了某小型污水处理厂 338.58 kWp 分布式光伏发电系统的设计及运行情况。该光伏发电系统的光伏组件架设于活性砂滤池、二氧化氯消毒池和水解酸化池的上方，自 2021 年 12 月 17 日并网发电以来，运行稳定，实际日均发电量为 965.37 kWh，高于预测日均发电量（871 kWh）；与相同发电量的火电相比，预计 25 年累计可节约标准煤约 2 861 t，累计可减排二氧化碳 7 620 t；预计年收益为 29.65 万元，静态回收期为 5.83 年。安装光伏发电系统既满足了污水处理厂用电高峰期的电力供应，又在一定程度上控制了藻类的大量繁殖，具有良好的经济效益和环境效益。关键词：污水处理 分布式光伏发电 节能降耗中图分类号：X703；TM615 文献标志码：A 文章编号：1006-8945（2023）02-0049-05Application of Distributed Photovoltaic Power Generation System in Small Sewage Treatment Plants LI Meiyan，PENG Jianxiong，YANG Zhuo，GENG Lixin，SHEN Yanping，CHEN Xiaoqi（CRRC Environmental Science and Technology Co.，Ltd.，Beijing 100160，China）Abstract：The design and operation of 338.58 kWp photovoltaic power generation system in a small sewage treatment plant is introduced.The photovoltaic module of the distributed photovoltaic power generation system is erected above the active sand filter，chlorine dioxide disinfection tank and hydrolysis acidification tank.Since the grid connected power generation on December 17，2021，the operation has been stable，and the actual daily average power generation capacity is 965.37 kWh，higher than the predicted daily average power generation capacity（871 kWh）.Compared with thermal power with the same power generation capacity，it is estimated that about 2 861 tons of standard coal can be saved and 7 620 tons of carbon dioxide can be reduced accumulatively in 25 years.The estimated annual income of the project is 296 500 yuan and the static payback period is 5.83 years.The installation of photovoltaic power generation system not only meets the power supply of the sewage treatment plant during the peak period of power consumption，but also controls the massive reproduction of algae to a certain extent，which has good economic and environmental benefits.Key words：sewage treatment；distributed photovoltaic power generation；saving energy and reducing consumption收稿日期：2023-01-060 引 言污水处理厂是重要的城镇基础设施，也是能耗密集型产业，巨大的能源消耗已经成为污水处理行业不容忽视的问题。污水厂的能源消耗主要是电能，占总能耗的 60%90%。电能消耗大、运行费用高降低了污水处理厂的投资效益，甚至成为一些污水处理厂难以正常运行的瓶颈1。在国家大力提倡节能降耗的背景下，污水处理厂的节能降耗应引起足够重视2。为了降低电耗，部分新建污水厂引入了分布式光伏发电技术，利用厂区厂房屋面和污水池上方的空间装设太阳能电池板，白天可利用光伏发电提供电力抵消部分市电消耗，从而达到节能的目的3。目前分布式光伏发电在污水厂应用主要存在以下 3 个问题：光伏发电系统的不稳定增加了污水厂配供电系统的电源管理难度，对污水厂供配电系统的平稳运行构成一定的压力3；已建污水处理厂实施光伏发电系统存在基础建设和安装成本高、对DOI:10.14099/ki.tjkj.2023.02.024 50 天 津 科 技第 50 卷 第 2 期建筑器材的防腐蚀要求高，导致投资回收期较长；分布式光伏发电在大型污水处理厂的研究和应用较多，而在小型污水处理厂的研究和应用很少。这主要是由于大型污水厂拥有更大的占地面积，可供选择建设光伏组件的地面大，水厂本身耗电量也高，故规模效益较为明显。随着县域污水治理和农村污水治理的需求增大，更多的小型污水厂逐步涌现。在有政策补贴的情况下，在小型污水厂建设光伏发电系统展现了较好的经济性4-5。但在补贴取消的大趋势下，小型污水厂建设光伏发电系统是否具备经济可行性值得深入研究。本研究以某小型污水处理厂为试点，旨在确定其运行可靠性、实际投资回收期和潜在附加值，以期为分布式光伏发电在小型污水厂的推广提供指导。1 工程背景1.1 污水处理厂概况本分布式光伏发电系统安装在毗邻的 2 个污水厂内，一个是生活污水厂，一个是工业污水厂。生活污水厂设计规模为 3 万 t/d，实际规模为 2.6 万t/d，处理工艺流程为氧化沟，污水处理单位能耗约为0.20 kWh/m3。工业污水厂设计规模为 5 000 t/d，实际运行规模为 3 000 t/d，处理工艺流程为水解酸化+改良A2O，污水处理单位能耗约为 0.71 kWh/m3。表1 为该污水处理厂设计进、出水水质情况。由表 1 可知，该污水处理厂出水执行城镇污水处理厂污染物排放标准（GB 189182002）中一级A标准。表 1 设计进、出水水质Tab.1 Design influent and effluent quality单位：mgL-1项目BOD5 COD SS TP NH3-N TN生活污水厂设计进水水质18030025032530工业污水厂设计进水水质22045025053550污水厂出水水质标准1050100.5 5（8）151.2 项目所在地的自然环境项目所在地为湖北省宜昌市某县城，属亚热带季风气候，雨量丰富，光照充足，气候温和，四季分明。年平均大于 10 的活动积温 5 200 以上，持续天数达 250 d。无霜期 250300 d，年平均辐射量 100.7 kcal/cm2（0.1171kW h/cm2），年平均日照时数 1 5381 883 h，日照率 40%。该县太阳能资源丰富，年平均太阳辐射比较稳定，属于太阳能辐射资源较丰富区域，能够为光伏电站提供充足的光照资源。2 光伏系统设计通过实地勘察，最终确定光伏组件安装区域如图 1。图中所标示 1、2、3 处分别为活性砂滤池、二氧化氯消毒池和水解酸化池，3处面积共计约 1 500 m2。图 1 光伏系统安装位置图 Fig.1 Installation location of photovoltaic system综合考虑组件效率、技术成熟性、市场占有率、项目建设工期、厂家供货能力和项目用地规模等多种因素，本工程选用高效单晶 540 Wp光伏组件，其参数详见表 2。图 2、3 分别为光伏系统组件排布效果图及平面图。本光伏发电系统组件的安装方式为在水池周围和池子上搭建钢构，倾斜方向朝南，倾斜角度15 20，共计安装 627 块组件，安装容量 338.58 kW。光伏组件串联后，分别接入 2 台 100 kW逆变器和4 台 33 kW逆变器。采用 380 V 电压就近接入厂区配电，并网模式为“自发自用、余电上网”。表 2 太阳能电池组件性能参数Tab.2 Performance parameter of solar cell components项目参数值太阳电池种类单晶硅太阳电池组件尺寸结构/mmmmmm2 2791 13435太阳电池组件质量/kg29.01.0组件转换效率/%20.89电池参数峰值功率/W540开路电压（Voc）/V50.34短路电流（Isc）/A13.66最大功率点电压（Vmp）/V41.64最大功率点电流（Imp）/A12.97 51 2023 年 2 月 李美艳等：分布式光伏发电系统在小型污水处理厂的应用探索图 2 光伏系统组件排布效果图Fig.2 Layout effect of photovoltaic system components图 3 各区域组件排布平面图Fig.3 Layout of components in each area图 3 为各区域组件排布图，1 号区域至 3 号区域分别铺设光伏组件 308 块、126 块和 193 块，装机容量分别为 166.32、68.04、104.22 kW。立柱设计距离池面最高端高度为 3.5 m，低端为 2 m。3 光伏系统发电量预测按照远安县年均有效日照 1 000 h计算，第 1 年衰减 2%，之后每年按 4递减，可以得到光伏发电系统的发电量预测，详见表 3。表 3 发电量预测Tab.3 Power generation forecast使用年产量（kW h）使用年产量（kW h）第 1 年338 580第 15 年314 962第 2 年331 808第 16 年313 703第 3 年330 481第 17 年312 448第 4 年329 159第 18 年311 198第 5 年327 843第 19 年309 953第 6 年326 531第 20 年308 713第 7 年325 225第 21 年307 479第 8 年323 924第 22 年306 249第 9 年322 629第 23 年305 024第 10 年321 338第 24 年303 804第 11 年320 053第 25 年302 588第 12 年318 77225 年总产量7 946 188第 13 年317 497平均年产电量317 848第 14 年316 227平均每天产电量8714 运行效果4.1 发电量情况该项目于 2021 年 12 月 17 日 10 点并网发电成功，已运行一段时间。表4为自并网发电以来该光伏发电系统的每月发电量统计。截至2022 年 6 月 30 日，项目已安全运营 196 d，累计完成发电量为 189 211.8 kWh，日均发电量为 965.37 kWh，高于预测日均