污水处理厂光伏发电应用前景初探<br/>——以湖南某污水处理厂为例

污水处理厂光伏发电应用前景初探
——以湖南某污水处理厂为例

2016-10-14吴友焕余国保张玲李进罗多刘远禄

太阳能 2016年5期

关键词：发电量处理厂污水处理

■ 吴友焕余国保张玲李进罗多刘远禄

珠海兴业绿色建筑科技有限公司

污水处理厂光伏发电应用前景初探
——以湖南某污水处理厂为例

■ 吴友焕*余国保张玲李进罗多刘远禄

珠海兴业绿色建筑科技有限公司

以湖南某污水处理厂为例，根据实际情况，从技术、施工、经济等方面分析污水处理厂光伏项目的可行性，并分析项目的难点所在，提出针对性的解决方案，为工程实际应用提供理论参考。

污水处理；光伏发电；可行性；柔性支架

0　引言

我国污水处理厂数量众多，据统计，2013年全国共调查统计5364座城市污水处理厂，设计日处理能力为16573.7万m3，全年共处理废水456.1亿m3[1]。污水处理厂是能耗大户，我国城市污水处理厂平均电耗为0.292 kWh/m3[2]，若全国污水处理厂按日处理能力16573.7万m3计算，每天用于污水处理的电量高达4839.5万kWh，相当于葛洲坝水电站1天的发电量；全年耗电133.18亿kWh，约占社会总用电量的0.2%[3]。

同时，污水处理厂总占地面积大。根据《城市生活垃圾处理和给水与污水处理工程项目建设用地指标[建标2005]》中对城市污水处理厂建设用地面积的相关规定，若取值0.6～0.7 m2/ (m3·d)，按日处理能力16573.7万m3计算，全国污水处理厂占地面积约为9944.22～11601.59万m2。如此大规模的占地面积，如果用于太阳能光伏发电系统建设，可有效缓解光伏发电项目用地紧张的问题，增加土地利用价值的同时，也将为污水处理厂带来相当可观的收入。假设这些面积中的1/3可用于布置光伏组件，那么布置的总装机容量可达3.3 GW。根据经验系数法，光伏发电年均发电量E可按式(1)计算：

式中，P为系统安装容量；K为经验系数，根据当地日照情况，一般取0.9～1.8 kWh/(W·年)，即每瓦装机容量年发电量为0.9～1.8 kWh，此处取1.0[4]。

根据式(1)可知，年均发电量可达33亿kWh，相当于节约105.6万t标准煤，每年可减排SO2约2.53万t，CO2约247.5万t，烟尘约0.106 万t，具有明显的经济效益、环境效益及社会效益。

目前，我国污水处理厂光伏发电项目尚处于探索阶段，实际案例为数不多，已见诸报端建成的项目有北京良乡卫星城污水处理厂光电建筑示范项目[5]、台州污水处理厂光伏发电项目[6]等少数几个，涉及的文献资料也相对较少。鉴于此，本文以湖南某污水处理厂的实际情况为例，从技术、施工及经济等方面分析污水处理厂光伏项目的可行性，为工程实际应用提供理论参考和技术指导。

1　湖南某污水处理厂概况

1.1总体概况

该污水处理厂位于湖南省湘潭市某地，地理坐标为27.50°N，112.56°E；海拔为52±4 m；方位为南偏西19°；占地面积为97391.1 m2，其中氧化沟、水池等构筑物占地面积为32339.5 m2。污水厂设计总规模为30万m3/d，已建成规模为20万m3/d，采用我国引进、新建污水处理中应用最多的工艺——氧化沟工艺[7]。

1.2太阳能资源

湘潭全市累年平均日照总时数1530.7～1642.0 h，年日照百分比为34%～36%。其中，夏季日照时数最大，约占全年日照时数的38.3%；冬季日照时数最小，约占全年日照时数的10.8%，如图1所示。

图1　湘潭市累年各季平均日照时数(单位：h)

项目所在地属于一般太阳能资源带，资源等级为C级，累年平均日照时数为1586.5 h；峰值日照时数为3.33 h。

本阶段采用3.33 kWh/(m2·d)日均辐照量作为该项目设计依据，则年辐照量为1215.45 kWh/ (m2·a)。根据我国太阳能资源年辐照量等级(如表1所示)，可知项目所在地太阳能资源比较丰富，完全可进行光伏发电项目建设。

表1　太阳能资源年辐照量等级［8］

1.3气象条件

因项目位于湖南省湘潭市内，故将国际通用卫星数据库1978～2008年湘潭气象信息作为系统设计的依据。

与太阳能发电相关的气象要素特征值如表2所示。

表2　湘潭气象要素表

2　光伏发电可行性分析

2.1难点分析

经现场勘查发现，与常规的地面光伏电站相比，在污水处理厂建光伏发电站存在以下几方面的难点：

1)由于污水处理厂是按相关标准规范建造的，用地紧凑、功能明确，可用于布置光伏组件的区域仅为厂区内建筑物屋顶、停车棚、污水处理池上方，且不能影响其原有功能，增加了工程设计和施工难度；

2)由于污水处理池运作的特殊性，池内有不间断运行的刮泥装置，使池内部不能立柱，且池的宽度较大(40～50 m)，针对固定光伏组件的结构，我们不仅要解决大跨度的问题，还要顾及抗风荷载问题；

3)由于需定期对污水处理池清淤，布置光伏组件需考虑预留足够作业空间；

4)由于污水处理池散发的气体对金属具有一定的腐蚀性，需考虑光伏组件及固定结构的防锈问题；

5)由于厂内地下埋有管道线路，埋桩及布线不能干涉及损坏原有管道线路，在不破坏原有景观的同时，对结构设计的美观性也有较高要求。

2.2技术可行性分析

针对污水处理厂的特殊性及上文所述难点，本光伏项目采用柔性光伏支架安装方式，如图2所示。

图2　柔性光伏支架效果图

柔性光伏支架可避免光伏组件对污水处理池的日常运行造成影响，很好地解决了跨度大的问题，同时也能满足抗风荷载的要求。当支架的设置高度足够大(高出水池平面3～4 m)，则不会影响水池的清淤作业。该支架具有以下几方面的优点：

1)柔性光伏支架对场地基础要求较小，预装性强；

2)解决项目横向跨度大、易腐锈等传统光伏支架系统存在的难题；

3)通过悬、拉、挂、撑4大安装方法，实现上、下、左、右各方向的自由架设；

4)与传统钢架结构方案相比，柔性光伏支架的用量少、承重小，将大幅缩短整体施工周期；

5)柔性光伏支架将更适用于普通山地、荒坡、水池、渔塘及林地等多种大跨度应用场地。

2.2.1光伏方阵设计

本项目建设布置容量为1.03 MWp，共采用260 Wp多晶硅光伏组件4120块。光伏组件的固定方式采用倾角固定，光伏组件的布局根据当地的日照辐射情况及场址条件确定，最佳倾角为23°，阵列方位为0°；并充分考虑光伏组件之间的遮挡问题，经专业阴影分析软件EcoTect对项目中前后两个光伏串列进行模拟太阳运行轨迹分析，取全年中阴影最长当天(冬至日)9:00～15:00区间，该钢架安装的光伏组件基本不受阴影遮挡，选取前后排光伏阵列的净距为2.5 m，保证全年都能高效发电、稳定运行，如图3所示。

图3　光伏方阵效果图

2.2.2方阵接线设计

光伏组件串、并联数的确定主要依据其组件的电性能参数、逆变器的参数、当地温度和瞬时辐射强度对开路电压、工作电压及功率的影响来分析。

1)串联电压匹配。光伏组件的串联电压之和要小于光伏组件的耐受电压，即：

式中，S为光伏组件的串联数；Voc为光伏组件开路电压，Voc=38.1 V；Vmp为逆变器的耐受电压，V。

因Voc(STC)为考虑温度影响的光伏组件开路电压，即Voc(STC)=Voc[1+β(Tmin–25)]，则：

式中，β为组件开路电压温度系数，取-0.34%/℃；Tmin为光伏系统所选场址极端最低气温，Tmin=3.2 ℃。

逆变器的MPPT工作范围：串联光伏组件的工作电压值在逆变器的MPPT范围之内，即：

式中，VDCmppt min为逆变器最小输入电压；VDCmppt max为逆变器最大输入电压；Vmppt string为串联光伏组件的工作电压。

已知Voc=38.1 V，β=-0.34%/℃，Tmin=3.2 ℃，Vmp=1000 VDC，VDCmppt max=1000 VDC，代入式(1)～(3)，可得出光伏组件串联数为24组，根据实际情况选用20组串联。

2)并联电流匹配。光伏阵列的最大电流不超过逆变器的允许最大直流电流，光伏组件短路电流为9.04 A，22块板串联后，电流不变，仍为9.04 A，所选500 kW逆变器最大输入电流为1225 A，可得光伏方阵输入并数为135，根据实际布板需要，本系统设计的1000 kW箱式逆变器内部含有2台500 kW逆变器，每台输入并数为103。

2.2.3光伏发电量计算

本项目按25年运营期考虑，系统25年电量输出衰减幅度为每年衰减0.8%。年发电量按25年的平均年发电量考虑，根据当地气象资料及电池板的固定方式等，最终计算光伏组件接受的倾斜面上的年辐射量为1260 kWh/m2。

光伏发电站上网电量可按式(4)[9]计算：

式中，EP为光伏系统发电量，kWh；HA为水平面太阳能总辐照量，kWh/m2；PAZ为组件安装容量，kWp；ES为标准条件下的辐照度，为常数，ES=1 kWh/m2；K1为综合效率系数，取75%。

经计算，本项目运营期内年发电量如图4所示。25年总发电量约为21265 MWh，年平均发电量为850.6 MWh。

图4　第1～25年理论发电量

2.2.4防雷、接地及过电压保护设计

1)防雷。太阳能光伏并网电站防雷主要是防直击雷和雷电侵入波两种。光伏组件边框为金属材质，将光伏组件边框与支架可靠连接，然后与接地网连接；为增加雷电流散流效果，可将站内所有光伏组件支架可靠连接。在动态无功补偿装置附近设置独立避雷针，以实现直击雷保护；电气室屋顶设置避雷带，以实现对户内设备的直击雷保护；在开关柜内装设无间隙氧化锌避雷器，对雷电侵入波和其他过电压进行保护[10]。

2)接地。充分利用每个光伏组件基础内的钢筋作为自然接地体，根据现场实际情况及土壤电阻率敷设不同的人工接地网，以满足接地电阻的要求。

对所有要求接地或接零的设备均应可靠地接地或接零。所有电气设备外壳、开关装置和开关柜接地母线、架构、电缆支架和其他可能引发事故的带电金属物都应可靠接地[10]。

电站的保护接地、工作接地采用一个总的接地装置。高、低压配电装置共用接地系统，接地电阻要求R≤4 Ω[11]。本电站拟敷设50 mm×5 mm接地扁钢，光伏组件支架均可靠连接到接地网，接地扁钢敷设深度≥0.8 m。

2.3施工可行性分析

2.3.1施工条件

交通条件便利，原有道路可满足施工要求；施工用水、生活用水、消防用水可考虑在就近管网直接引接；施工用电可从就近的配电网架引接至工地。

砼工程：现浇砼工程采用现场机械搅拌。

2.3.2施工工序设计

施工工序总体安排如图5所示。

图5　施工工序流程图

2.3.3施工特点

1)工程施工范围大，施工点多，需频繁移动施工力量，特别是吊装设备；

2)光伏组件及其支架都成阵列式布置，支架分布较多，属高空作业；

3)电站占地面积较大，施工工期紧，适宜多人分场地同时安装、施工。

2.4经济可行性分析

2.4.1工程设计概算

本工程静态投资为2015年价格水平。工程费用分为建筑工程费、设备购置费、安装工程费及其他费用等，各费用如表3所示。

表3　静态投资划分表

2.4.2效益分析

本项目发电量全部上网，项目运营期25年。按年均发电量约850.6 MWh计算，湖南工业用电价格为0.906元/kWh，每年节约电费77.06万元；发电全量补贴(税后)为国家 0.42 元/kWh(暂定20年补贴期限)，湖南省0.2元/ kWh(暂定10年补贴期限)，每年获发电补贴约52.74万元，项目资本金内部收益率为7.25%，则静态投资回收期约为8年。因此，该项目的经济效益良好，利润可观。

3　环境效益分析

光伏发电是将太阳能转换为电能，与相同容量的燃煤电厂相比，可节约煤炭资源并减少污染物排放。本光伏电站每年可为电网提供电量约850.6 MWh，每年可节约标准煤296.01 t；每年可减排SO2约7.11 t，CO2约769.63 t，烟尘约0.30 t。因此在增加发电量的同时，对当地的大气环境质量不产生任何影响。

若在我国现有污水处理厂建光伏发电项目，总装机容量为3.3 GW，设计运营25年，投资回收期为10年，年均总发电量约为33亿kWh，按0.8 元/kWh计算，则共创收660亿元；与燃煤电厂相比，相当于节约2640万t标准煤，减排SO2约为63.25万t，CO2约为6187.5万t，烟尘约为2.65万t。