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）
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：①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］；
②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、对建筑器材的防腐蚀要求高，导致投资回收期较长；
③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。
1.1 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 kW·h/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 kW·h/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 18918—2002）中一级A标准。
表1 设计进、出水水质Tab.1 Design influent and effluent quality单位：mg·L-1
1.2 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 250～300 d，年平均辐射量100.7 kcal/cm2（0.1171kW·h/cm2），年平均日照时数1 538～1 883 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。
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”。
图2 光伏系统组件排布效果图Fig. 2 Layout effect of photovoltaic system components
表2 太阳能电池组件性能参数Tab.2 Performance parameter of solar cell components
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。
图3 各区域组件排布平面图Fig.3 Layout of components in each area
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
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 kW·h，日均发电量为965.37 kW·h，高于预测日均发电量（871 kW·h）。最高发电量发生在5月2日，当日晴天，正午温度最高为28 ℃，当日发电量高达2 086.3 kW·h。最低发电量发生在3月20日，当日小雨，正午温度最高为 7 ℃，当日发电量低至52.4 kW·h。
表4 每月发电量统计Tab.4 Power generation statistics of each month单位：kW·h
图4为光伏发电系统自运行以来的每月发电量和每月日均发电量。由图4可见，受天气、光照时间影响，各月日均发电量差别较大，1 月发电量较少，主要原因是冬季日照时间较短，以阴天和多云天气为主。5月进入春末夏初，以晴天为主，日照时间长，日均发电量较多。6月虽然进入夏季，但雨水较多，导致光照时间变短，日均发电量略低于5月。
图4 光伏发电系统自运行以来的每月发电量和每月日均发电量Fig.4 Monthly and average daily power generation of photovoltaic power generation system since its operation
图5为光伏发电系统实景图。由图5可知，光伏组件均建于池子上空，组件用支架支撑，与池面保持了一定的距离，不影响工人的日常巡视和设备的日常检修。
图5 光伏发电系统实景图Fig.5 Pictures of PV power system
4.2 抑制藻类生长情况
水解酸化池受光照后，藻类滋生迅速，夏季时需要加设遮挡物和定期喷药。加盖光伏组件后，抑制藻类效果较好。表5为日常藻类打捞数据统计表。从表5可知，11月每周平均打捞1竹篓筐，约30 kg，打捞人数2名，时间35 min。自11月29日加盖光伏组件后，池中藻类逐步减少。12月平均每周打捞竹篓半筐，约15 kg，打捞人数1～2名，时间20 min。自2022年1月起，藻类较少，不需人工打捞。加盖光伏板，可以降低水池内的水温并减少日照，抑制了藻类的生长和繁殖，从而减少了操作工的工作强度。此外，还减少了夏季采购遮盖物的支出，降低了运行成本。
表5 日常藻类打捞数据统计Tab.5 Daily algae fishing data statistics
图6 为水解酸化池安装光伏组件前后的对比图。光伏组件安装前，水解酸化池约有一半的池面被藻类覆盖。光伏组件安装后，藻类不见踪迹。光伏组件的安装起到了抑制藻类生长繁殖的作用。
图6 水解酸化池安装光伏组件前后的对比图Fig.6 Comparison diagram of hydrolysis acidification tank before and after installing photovoltaic modules
项目总造价约173万元。根据厂区用电电费结算单，用电量大于发电量，仅有少量余电上网，光伏系统的发电量基本能够消纳完毕。依据年平均发电量31.78 kW·h，按光伏发电站运行期间的电价0.933元/kW·h进行收益测算，年均收益约29.65万元，静态回收期5.83年。
本项目装机容量为338.58 kW，25 年总产电量为7 946 188 kW·h。项目建成后与相同发电量的火电相比，25 年累计可为电网节约标准煤约 2 861 t（火电煤耗按 360 g/kW·h 计）。相应 25 年累计可减少燃煤所造成的多种有害气体的排放，其中二氧化硫（SO2）52 t，氮氧化物（NOx）25 t，碳粉尘 14 t，减轻排放温室效应性气体二氧化碳（CO2）7 620 t。
分布式光伏发电系统应用于小型污水处理厂，可以有效降低污水处理运行中的电力成本，从而使得污水厂的运营更加节能、高效。本分布式光伏发电系统利用了活性砂滤池、二氧化氯消毒池和水解酸化池的上部空间，自并网发电运行以来，运行效果良好，日均发电量达837.84 kW·h。与相同发电量的火电相比，25 年累计可节约标准煤约 2 860 t，累计可减排二氧化碳7 620 t。项目预计年收益为29.65万元，静态回收期为5.83年。
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