光伏儲能技術(shù)應(yīng)用于污水處理廠的分析

姜放

（大連誠高科技股份有限公司，遼寧 大連116023）

1 引言

由于技術(shù)原因，傳統(tǒng)的污水廠存在運(yùn)行能耗偏高的問題。隨著社會(huì)愈加重視環(huán)境保護(hù)，國家對污水的處理深度和出水水質(zhì)有了更高的要求，使得傳統(tǒng)污水廠的高能耗問題更加突出。因此，新建的污水廠加大了在節(jié)能方面的投入，引入了光伏發(fā)電技術(shù)。

2 光伏-污水廠的優(yōu)點(diǎn)及不足

不同工藝、不同規(guī)模的傳統(tǒng)污水廠的能耗情況如表1 所示[1]?？梢钥闯觯瑐鹘y(tǒng)污水廠的單位污水處理能耗偏高，運(yùn)行中消耗大量電能，使得電費(fèi)在污水廠運(yùn)營費(fèi)用中占比較大，不利于控制運(yùn)營成本，也與綠色節(jié)能的環(huán)保理念相違背。這種情況在小規(guī)模污水廠中更加突出。

表1 污水廠電耗統(tǒng)計(jì)kW·h/t

為改善上述情況，部分新建污水廠引入了分布式光伏發(fā)電技術(shù)[2]。這種光伏-污水廠利用廠區(qū)廠房屋面和污水池上方的空間裝設(shè)太陽能電池板，白天運(yùn)行時(shí)可利用光伏發(fā)電來提供電力抵消部分市電消耗，從而達(dá)到節(jié)能的目的。同時(shí)，水廠也可以根據(jù)國家政策獲得光伏發(fā)電補(bǔ)貼，通過額外收益來增加污水廠的運(yùn)營盈利。光伏-污水廠的供電系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 光伏-污水廠供電系統(tǒng)架構(gòu)圖

但是，單純的光伏-污水廠也存在2 個(gè)問題：（1）受氣象與季節(jié)變化的影響，光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力不穩(wěn)定，這增加了污水廠供配電系統(tǒng)的電源管理難度，對污水廠供配電系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行構(gòu)成一定的壓力；（2）污水廠為連續(xù)工作制，而光伏發(fā)電系統(tǒng)只能在白天的有效光照時(shí)間內(nèi)工作，夜間不能為水廠設(shè)備供電，無法實(shí)現(xiàn)全天持續(xù)的節(jié)能。

3 光伏-儲能-污水廠的優(yōu)勢

為了彌補(bǔ)光伏-污水廠存在的不足，本文認(rèn)為可以引入新興的鋰電池儲能系統(tǒng)[3]，構(gòu)成光伏-儲能-污水廠。其供電系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 光伏-儲能-污水廠供電系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 中的系統(tǒng)在光伏發(fā)電的基礎(chǔ)上增加了儲能環(huán)節(jié)，光伏發(fā)電設(shè)備不再直接為污水廠供電，而是將發(fā)出的電能充入儲能電池，由儲能系統(tǒng)為污水廠供電。

儲能系統(tǒng)由鋰電池、儲能變流器（PCS）、電池管理系統(tǒng)（BMS）以及監(jiān)控主機(jī)等組成[4]。PCS 可以銜接市電與光伏發(fā)電設(shè)備，能夠根據(jù)污水廠的發(fā)電、用電情況選擇廠區(qū)的供配電方式，如市電+電池供電、電池單獨(dú)供電、市電單獨(dú)供電+為電池充電等。BMS 負(fù)責(zé)監(jiān)控儲能電池的工況（包括電量、電壓、溫度、電流等），并據(jù)此控制PCS 對儲能電池的充放電過程，從而確保儲能系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)行。

對比其他電池，鋰電池具有極佳的綜合性能。表2中例舉了目前一些主流電池的性能參數(shù)。

表2 儲能電池性能對比

由表2 可知，鋰電池?fù)碛心芰棵芏雀?、壽命長、安全可靠、環(huán)境友好且成本可控的優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的儲能材料。鋰電池因其高能量密度和安全的特點(diǎn)而便于集成布置[5]，節(jié)省占地且易于建設(shè)，很適合污水廠使用。

引入鋰電池儲能系統(tǒng)后，儲能設(shè)備可以顯著改善光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行工況。圖2 中光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能先存入儲能系統(tǒng)，此時(shí)儲能電池相當(dāng)于光伏發(fā)電系統(tǒng)的“蓄水調(diào)節(jié)池”。不同于以往的光伏系統(tǒng)，儲能電池在電池管理系統(tǒng)的控制下可以穩(wěn)定地為污水廠供電，即便光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)出力波動(dòng)，也不會(huì)對污水廠的供電系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊和擾動(dòng)，從而提高了污水廠供電系統(tǒng)的可靠性并減小了系統(tǒng)損耗。

同時(shí)，加入儲能系統(tǒng)后，污水廠便可以采用“移谷削峰”的運(yùn)行方式，充分利用電網(wǎng)用電低谷時(shí)的網(wǎng)上余電來降低運(yùn)行成本。以北京市2018 年8 月的峰谷電價(jià)為例，數(shù)據(jù)見表3。

表3 北京市分時(shí)電價(jià)

設(shè)置儲能系統(tǒng)后，污水廠可以利用儲能電池在光伏系統(tǒng)無法發(fā)電的夜間用電低谷時(shí)段存儲電網(wǎng)的低價(jià)電能。當(dāng)白天光伏系統(tǒng)無法工作時(shí)，儲能系統(tǒng)可以利用事先存儲的低價(jià)電能供給用電設(shè)備，維持高電價(jià)時(shí)段污水廠的正常運(yùn)行，從而利用電網(wǎng)的電價(jià)差額來節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。通常光伏系統(tǒng)發(fā)電的有效光照時(shí)段為9：00～15：00[6]，當(dāng)光伏系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)，對比平時(shí)和谷時(shí)電價(jià)，每1kW·h 可節(jié)約電費(fèi)0.300 4 元（參考大工業(yè)用電），降費(fèi)比例約45%。污水廠的用電性質(zhì)通常為大工業(yè)用電，采用光伏-儲能-污水處理模式的電費(fèi)節(jié)省情況見表4。

表4 光伏-儲能系統(tǒng)的降費(fèi)效果

可見，儲能系統(tǒng)的引入可以顯著改善光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效果，提升污水廠的節(jié)能降費(fèi)能力。同時(shí)，夜間的電網(wǎng)剩余電能也得到了更充分的利用，減少了電能的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了綜合性的節(jié)能。

4 結(jié)語

降低污水廠的能耗成本是環(huán)保行業(yè)的普遍需求。采用光伏-儲能系統(tǒng)的污水廠可以有效地降低污水處理過程中的電力成本，使得污水廠的運(yùn)營更加節(jié)能、高效?？梢灶A(yù)見，光伏-儲能-污水廠有機(jī)會(huì)成為行業(yè)的生力軍，獲得更多的應(yīng)用并推進(jìn)環(huán)保行業(yè)的發(fā)展。