关于分布式光伏发电系统在污水处理厂中的应用

摘要：光伏发电具有天然绿色属性，近年来分布式光伏发电在能源领域的应用越来越广泛，而“光伏发电+污水处理”则是分布式光伏发电的一种典型应用场景，探索分布式光伏发电系统在污水处理厂中的具体应用场景及关键技术，有着重要价值。本文即对此展开综合分析，采用了文献资料法、经验总结法等研究方法。通过研究，明确了分布式光伏发电系统在节能减排、降低成本、抑制藻类方面的突出价值，并对系统主体设计、并网方案、储能技术、太阳能分析及发电量估算、智能监测及维护等关键技术及应用方面进行了综合研究，希望能够起到一定帮助。

关键词：分布式；光伏发电系统；污水处理厂；应用价值；应用场景

引言：

太阳能是非常清洁的可再生能源，光伏发电作为我国新能源战略部署的重点项目之一，近年来在污水处理厂中应用非常广泛，污水处理厂需要24小时不间歇运行，用电量大，污水处理厂的大型处理场地较多，包括建筑物、沉淀池、生化池等，其上部空间充足，这些都为光伏板提供了大量的安装空间。从长远效益来看，分布式光伏发电系统在污水处理厂中的应用，一定可以使得污水处理厂降低成本，助力污水处理厂可持续发展。

一、“分布式光伏发电+污水厂”的可行性

第一是政策方面的可行性。近年来“分布式光伏发电+污水厂”得到国家政策扶持，早在《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》及《国家能源局关于进一步落实分布式光伏发电有关政策的通知》等文件中，就鼓励地方单位或企业开展多种形式的分布式光伏发电应用。在2022年4月，国务院五部委出台文件，鼓励污水处理企业综合利用场地空间，发展光伏应用项目，各地方纷纷制定具体政策。在2023年12月12日由国家发展改革委、住房城乡建设部等多部门联合发布的《关于推进污水处理减污降碳协同增效的实施意见》中，在“加大可再生能源应用”章节，也提出“利用厂区屋顶、处理设施、开阔建构物等闲置空间布置光伏发电设施”[1]。今年（2024年）7月3日，国家发改委办公厅、住房城乡建设部办公厅发布的《关于开展污水处理绿色低碳标杆厂遴选工作的通知》，再次重申了“光伏+污水厂”模式。林林总总，可见近年来国家对于“分布式光伏发电+污水厂”模式的重视程度，在政策上具有高度的可行性。

图1.“光伏+污水厂”实景图

第二是空间结构方面的可行性。污水处理厂的大型处理场地较多，包括建筑物、沉淀池、生化池等，需要占据非常大的空间面积，而污水处理厂的上部空间十分充足，这些都为光伏板提供了大量的安装空间，同时不会对现有的污水处理工艺以及流程产生额外影响。因此，“分布式光伏发电+污水厂”在空间结构方面具有高度可行性。

第三是经济效益方面的可行性。分布式光伏发电的前期建造成本相对较高，但后期却享受发电收益，减少电费成本。分布式发电系统采用“自发自用，余量上网”，发电多余电量可以接入电网中，获取电费额外收益。除此之外，分布式光伏发电系统的应用，减少了污水处理厂的碳排放，污水处理厂可在碳汇市场进行碳交易，获得额外收益。这些都是分布式光伏发电系统应用对污水处理厂带来的经济效益，因此，在经济效益方面，“光伏+污水厂”也具有高度可行性。

二、“分布式光伏发电+污水厂”的应用价值

（一）响应节能减排号召

随着科学技术的不断发展，随着社会意识的持续变更，绿色革命迅速发展了起来，我们应正确认识到过去经济发展对自然生态造成了一定影响，这样的经济发展是不可持续的，新时代必须重视对自然环境的保护，致力于提升资源利用的效率，降低能源消耗。而“光伏+污水厂”模式的构建，就是在响应时代节能减排的号召，充分利用太阳能这一清洁能源，减少对传统火力发电的依赖，进而减少传统火力发电量，减少整体二氧化碳排放，体现污水处理厂的绿色化、环保化发展理念，为社会发展做出贡献[2]。

（二）减少企业电费成本

“光伏+污水厂”模式的构建，可以有效减少污水处理厂的电费成本，为污水处理厂降负。目前分布式光伏发电的前期成本在2.5元-3元/瓦左右，光伏电站日发电量=装机容量（kw）×峰值日照时数（h）×系统效率（80%）。以一座每日处理2万吨的污水处理厂为例，占地面积大约为1.5万平方米，按照全国城市污水处理厂的平均电耗0.292度电/立方米/天，每日大约需要消耗电量约为0.292×20000=5840度电，一年电耗为2131600度。该污水处理厂建造装机容量为500kw的分布式光伏发电系统，总屋顶使用面积大约为4000-5000平方米，前期安装成本为125万元-150万元，按照二类地区的峰值日照时数为4.5小时来计算（全国按照太阳能辐射量的大小分为五类，光照二类地区的峰值日照时数约为4.45-5.17h），则每日发电量为：500×4.5×0.8=1800度，年发电量为657000度电，按照工业用电0.6-0.75元/度，一年发电收益为39.42万-49.275万。由此计算可见，污水处理厂投资分布式光伏发电系统，并考虑其他因素如系统效率、光伏维护成本、光伏衰减率等，可实现4—6年时间回本，之后持续受益。装机规模越大，则长期来看经济效益越突出，为企业节省的电费成本越多。

（三）抑制藻类生长繁衍

在污水处理过程中，在二沉池和深度处理构筑物内常常会出现藻类，藻类的生长繁衍与温度、光照有直接关系，一般而言，阳光照射沉淀池水温可达到25度，污水中的氮磷等又会为藻类提供足够的营养物质。藻类的生长繁衍会让水产生异味和异色，并且会妨碍污水絮凝过程，降低水质，还可能附着在沉淀池或管道中，造成腐蚀危害。处理藻类比较麻烦，采用人工清捞，机械洗刷、药物抑制等手段，费力费时，这主要是因为藻类的生长很快，清理后又会迅速生长。而“光伏+污水厂”模式，可以减少阳光照射，在一定程度上可以抑制藻类的生长繁衍，让污水处理过程省时省力[3]。

三、“分布式光伏发电+污水厂”的应用关键技术

（一）系统主体设计

在“光伏+污水厂”设计与应用中，系统主体设计是核心，也是基础。主体设计主要有三点。第一是光伏系统支架结构设计。光伏系统支架结构包括横梁、斜梁、斜撑、立柱、支撑系统、连接件和紧固件等，材料有铝合金、碳钢和不锈钢，支架结构的计算要从恒荷载、风荷载、雪荷载、地震以及温度作用等方面进行考量。尽可能选择大跨度支架结构，更符合污水处理厂中建筑物、沉淀池等体型较大的特点，如柔性支架就是一种大跨度支架结构，柔性支架是通过设计钢丝绳系统，对端立柱柱顶产生向内的水平拉力，从而提升支架结构的承载能力。在支架结构选型完成后，需要采用相应的结构计算软件，包括建筑结构软件如PKPM、MST，辅助计算软件如理正结构、Msteel等，计算光伏系统支架结构的整体荷载及稳定性、局部荷载及稳定性、节点连接强度、截面强度等[4]。

第二是光伏系统电池组件选型。光伏系统电池组件分为单晶硅、多晶硅以及非晶硅（薄膜组件）三类，单晶硅和多晶硅在实际使用中没有太大区别，虽然理论上单晶硅的电池平均转化效率略高于多晶硅，但是因为其形状限制，在组成光伏发电电池板时，部分面积无法有效应用，因此可以说单晶硅和多晶硅在使用时没有太大区别。而就晶硅组件和薄膜组件而言，一般来说，同样占地面积下，晶硅组件的装机容量比薄膜组件高，单块组件功率高，单晶硅电池组件的光电转换效率在18%以上，多晶硅电池组件的光电转换效率约在16%左右，但组件的建设成本高，高温性能较差，年衰减率高。而薄膜组件的发电效率较低，尽管薄膜电池组件在实验室条件下光电转换效率可达12%以上，如单结非晶硅薄膜电池在实验室条件下的光电转换效率可达12.7%左右，碲化镉CdTe薄膜电池在实验室的光电转换效率可达16%左右，但是实际使用却达不到该效率，通常为8%—10%，相信未来技术进步还可持续提升，除此之外，薄膜电池的高温性能佳，年衰减量低，并且前期投入成本也更低。考虑到污水处理厂中光伏发电系统应用的特点是基础面积大、考虑长期收益，非晶薄膜电池组件往往是更好的选择，当然，具体还需要根据污水处理厂的实际情况以及建设目标来科学选型[5]。

第三是光伏系统光伏板布局。光伏系统的光伏板结构可分为固定式和跟踪式，前者成本低，无法调整布局与角度，太阳能利用率略低，后者可跟随太阳的高度和方位角的变化而移动，提升太阳能利用率，成本略高。除此之外，光伏系统的布局体现在排布方式、倾斜角度、间距与遮挡等方面，布局的目的都是为了最大程度利用太阳能，并避免相邻光伏板之间的互相遮掩，光伏板的倾斜角度是重点，需要根据当地的纬度来设置最佳角度[6]。

（二）并网方案

图2.光伏发电“自用+上网”简示图

如上图2所示，为光伏发电“自用+并网”的简示图。一般而言，“光伏+污水厂”的模式会采用“自发自用，余量上网”的模式，通过分布式光伏发电系统所发出的电力，通过逆变器进行调节转变为交流电，供给本地交流设备负载，为污水处理厂的设备运行、生活用电、照明用电等提供电力能源，多余的电量经过变压器，转变为直流电，协调地接入电网之中，获得相应的上网电费。对于“光伏+污水厂”而言，为大型分布式光伏系统，在技术上采用三相并网，并网系统中包含有逆变器与变压器组件、无功控制组件、并网保护组件、防逆流组件、测量组件以及智能控制组件等，逆变器与变压器组件是核心功能组件；无功控制组件是消除谐波影响，满足无功需求，实现电压稳定；并网保护组件则是保护分布式光伏系统及电网在余电上网过程中的异常损害，包括电压保护、过电流保护、频率保护等；防逆流组件则是防止电能从电网倒流回光伏系统；测量组件是经电表对上网流量进行测量；智能控制组件则起到智能控制、集成监控、故障诊断等作用。

（三）储能技术

“光伏+污水厂”模式也有着一定的局限性，即光伏发电需要考虑到日照的波动性，光照在一日内中午最强，发电量大，夜间发电则微乎其微。以及需要考虑季节的差异性，通常夏季光照强，发电量大，冬季则相反。这导致“光伏+污水厂”模式具有间歇性与波动性特点，为了最大程度发挥“光伏+污水厂”模式的作用，带来经济效益以及环保效率，储能技术的应用是重点，储能设备在日照充足时可以储存多余电力，在日照不足时则释放多余电力，灵活调控分布式光伏系统的电力资源。如下图3所示，为光伏发电有储能系统和无储能系统的工作系统简图。

图3.光伏发电有储能（a）和无储能（b）

（四）太阳能分析及发电量估算

对太阳能的分析，主要是详细了解本地区的太阳辐射情况，了解当地的辐射水平、峰值日照时数、瞬时辐射、辐射季节特点等等，充分了解本地区的太阳辐射特征。而发电量估算，则可根据公式：光伏电站日发电量（kWh）=装机容量（kw）×峰值日照时数（h）×系统效率（80%）来进行估算，其他的估算方法还有很多，比如采用日均效率法，公式为：日发电量（kWh）=日均太阳辐射（kWh/m²）×光伏板面积（m²）×光伏板日均效率[7]。对于发电量的估算，还要进行阴影分析，指的是树木、周围建筑或其他结构在光伏板上的投影，基于对阴影面积以及变化规律的识别，采用科学方法计算出阴影影响。

（五）智能监测及维护

对于分布式光伏发电系统的智能监测及维护也是一个重点项目，光伏发电系统的光伏板在使用过程中，可能发生组件开裂、线路老化、热斑现象等，不仅影响了分布式光伏发电系统的发电效率，还可能加剧光伏板、逆变器及相关设备发生故障的可能性，因此，必须重视对光伏发电系统的监测与维护工作。新时期提倡采用物联网技术、传感器技术，实现“智慧光伏”，可通过红外图像检测法、无人机光伏阵列巡检、电压电流检测法、基于传感器检测法等，提升监测与维护的精准性[8]。

四、结束语

综上所述，分布式光伏发电系统在污水处理厂中的应用，有着非常积极的价值，是在响应节能减排号召、减少企业电费成本、抑制藻类生长繁衍。其具体应用，关键技术以及应用场景则在于系统主体设计、并网方案、储能技术、太阳能分析及发电量估算、智能监测及维护等方面，上文对这几个部分进行了详细说明，希望能够起到一定帮助。

参考文献：

[1]李美艳,彭建雄,杨卓,等.分布式光伏发电系统在小型污水处理厂的应用探索[J].天津科技,2023,50(02):49-53.

[2]张开海.分布式光伏发电系统在某污水处理厂中的应用[J].中国给水排水, 2017, 33(22):4.

[3]宋瑞平,陶如钧,李智行,等.双碳目标下城镇污水处理厂的绿色市政理念应用实践[J].中国给水排水, 2022(016):038.

[4]房镇,傅洪波,丁良才.分布式光伏发电系统在污水处理厂的应用[J].节能与环保,2019,(09):86-87.

[5]宋玉.绿色建筑中分布式光伏发电系统的应用[J].光源与照明, 2023(7):129-131.

[6]徐成贤,吴彦霖,高贤鹏.碳中和背景下光伏发电板在污水处理厂应用研究——以兰州市某小型处理厂为例[J].价值工程, 2023, 42(17):114-116.

[7]林锦乙.分布式光伏发电系统在供配电中的应用分析[J].通讯世界, 2023, 30(3):91-93.

[8]钱媛媛，王永杰，杨雪晶.光伏与光伏+水务"在污水处理厂的应用现状[J].工业水处理, 2022(042-006).