光伏储能技术应用于污水处理厂的分析

2020-03-29姜放

工程建设与设计 2020年3期

关键词：锂电池电能储能

姜放

（大连诚高科技股份有限公司，辽宁大连116023）

1 引言

由于技术原因，传统的污水厂存在运行能耗偏高的问题。随着社会愈加重视环境保护，国家对污水的处理深度和出水水质有了更高的要求，使得传统污水厂的高能耗问题更加突出。因此，新建的污水厂加大了在节能方面的投入，引入了光伏发电技术。

2 光伏-污水厂的优点及不足

不同工艺、不同规模的传统污水厂的能耗情况如表1 所示[1]。可以看出，传统污水厂的单位污水处理能耗偏高，运行中消耗大量电能，使得电费在污水厂运营费用中占比较大，不利于控制运营成本，也与绿色节能的环保理念相违背。这种情况在小规模污水厂中更加突出。

表1 污水厂电耗统计kW·h/t

为改善上述情况，部分新建污水厂引入了分布式光伏发电技术[2]。这种光伏-污水厂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，白天运行时可利用光伏发电来提供电力抵消部分市电消耗，从而达到节能的目的。同时，水厂也可以根据国家政策获得光伏发电补贴，通过额外收益来增加污水厂的运营盈利。光伏-污水厂的供电系统架构如图1 所示。

图1 光伏-污水厂供电系统架构图

但是，单纯的光伏-污水厂也存在2 个问题：（1）受气象与季节变化的影响，光伏发电系统的出力不稳定，这增加了污水厂供配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；（2）污水厂为连续工作制，而光伏发电系统只能在白天的有效光照时间内工作，夜间不能为水厂设备供电，无法实现全天持续的节能。

3 光伏-储能-污水厂的优势

为了弥补光伏-污水厂存在的不足，本文认为可以引入新兴的锂电池储能系统[3]，构成光伏-储能-污水厂。其供电系统架构如图2 所示。

图2 光伏-储能-污水厂供电系统架构图

图2 中的系统在光伏发电的基础上增加了储能环节，光伏发电设备不再直接为污水厂供电，而是将发出的电能充入储能电池，由储能系统为污水厂供电。

储能系统由锂电池、储能变流器（PCS）、电池管理系统（BMS）以及监控主机等组成[4]。PCS 可以衔接市电与光伏发电设备，能够根据污水厂的发电、用电情况选择厂区的供配电方式，如市电+电池供电、电池单独供电、市电单独供电+为电池充电等。BMS 负责监控储能电池的工况（包括电量、电压、温度、电流等），并据此控制PCS 对储能电池的充放电过程，从而确保储能系统的安全、高效运行。

对比其他电池，锂电池具有极佳的综合性能。表2中例举了目前一些主流电池的性能参数。

表2 储能电池性能对比

由表2 可知，锂电池拥有能量密度高、寿命长、安全可靠、环境友好且成本可控的优点，是一种理想的储能材料。锂电池因其高能量密度和安全的特点而便于集成布置[5]，节省占地且易于建设，很适合污水厂使用。

引入锂电池储能系统后，储能设备可以显著改善光伏发电系统的运行工况。图2 中光伏发电产生的电能先存入储能系统，此时储能电池相当于光伏发电系统的“蓄水调节池”。不同于以往的光伏系统，储能电池在电池管理系统的控制下可以稳定地为污水厂供电，即便光伏发电系统出现出力波动，也不会对污水厂的供电系统产生冲击和扰动，从而提高了污水厂供电系统的可靠性并减小了系统损耗。

同时，加入储能系统后，污水厂便可以采用“移谷削峰”的运行方式，充分利用电网用电低谷时的网上余电来降低运行成本。以北京市2018 年8 月的峰谷电价为例，数据见表3。

表3 北京市分时电价

设置储能系统后，污水厂可以利用储能电池在光伏系统无法发电的夜间用电低谷时段存储电网的低价电能。当白天光伏系统无法工作时，储能系统可以利用事先存储的低价电能供给用电设备，维持高电价时段污水厂的正常运行，从而利用电网的电价差额来节省运行费用。通常光伏系统发电的有效光照时段为9：00～15：00[6]，当光伏系统停运时，对比平时和谷时电价，每1kW·h 可节约电费0.300 4 元（参考大工业用电），降费比例约45%。污水厂的用电性质通常为大工业用电，采用光伏-储能-污水处理模式的电费节省情况见表4。