錢媛媛，王永杰，楊雪晶

（1.華東理工大學(xué)上海工業(yè)水系統(tǒng)精益運營工程技術(shù)研究中心，上海 200237；2.麥王環(huán)境技術(shù)股份有限公司，上海 200135；3.華東理工大學(xué)高濃度難降解有機(jī)廢水處理技術(shù)國家工程實驗室，上海 200237）

如今，在國家相關(guān)政策的推動下，光伏產(chǎn)業(yè)中的分布式光伏發(fā)電得到了很好的發(fā)展，且在城鎮(zhèn)化的進(jìn)程中，分布式光伏發(fā)電可應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如可在農(nóng)村、牧區(qū)、山區(qū)，以及發(fā)展中的大、中、小城市或商業(yè)區(qū)附近建造〔1〕。

2017 年世界范圍內(nèi)的污水處理廠能耗占社會總能耗的1%～3%〔2〕；我國污水處理廠2014 年的用電量 占全社會用電量的0.26%〔3〕，2020年用電量為1.84×1010kW·h，仍占比0.24%〔4-5〕，可見污水處理廠是能耗極大的公共設(shè)施。相對美國污水處理廠耗電量0.2 kW·h/m3來說，我國污水處理廠的耗電量高達(dá)0.29 kW·h/m3；并且我國污水處理廠的能耗主要是電耗，電費約占污水處理成本的50%～70%〔6〕，因而我國在污水處理能耗成本上還與發(fā)達(dá)國家有一定差距〔7〕。此外，國家對污水的處理深度和出水水質(zhì)有了更高的要求，這也使得污水處理廠降低能耗、節(jié)約成本的需求日益突出。除了能耗問題，環(huán)境問題也是不可忽視的，據(jù)美國國家環(huán)境保護(hù)局（Environmental Protection Agency，EPA）統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全球污水行業(yè)2015 年排放的CH4和N2O 共造成了6.3×108t 碳排放量，預(yù)計2030 年將超過7×108t，約占總CO2排放量的4.5%〔8〕。因此，在降低能耗和保護(hù)環(huán)境的需求下，如何將光伏發(fā)電這種新能源技術(shù)應(yīng)用于污水處理廠成為了近期污水處理的焦點話題。

“光伏+水務(wù)”可帶來極高的效益。由于污水處理廠空間分布的優(yōu)勢，“光伏+水務(wù)”的成功融合能夠極好地實現(xiàn)企業(yè)降本增效和拓展發(fā)展空間，不僅節(jié)約了能耗成本，還可以對環(huán)境做出有利貢獻(xiàn)，促進(jìn)碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)。不僅如此，“光伏+水務(wù)”還可為光伏產(chǎn)業(yè)拓展發(fā)展空間、實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級積累經(jīng)驗，有助于推動經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。

1 國外光伏-污水廠技術(shù)沿革及現(xiàn)狀

國外的光伏-污水處理廠可以追溯到上世紀(jì)80年代，美國西部Milton 市建成了世界上第一座太陽能污水處理廠，該污水處理廠現(xiàn)已用于800 個家庭的生活污水和2 所工廠的生產(chǎn)污水處理。因為使用了新型能源技術(shù)，又大大減少了勞動力，這種污水處理系統(tǒng)受到了全世界的關(guān)注。

美國污水處理所消耗的電力不容小覷，占美國總發(fā)電量的3%～4%，而在一些地區(qū)這一比例甚至達(dá)到20%～40%〔9〕。近十幾年來，作為美國最大的供水和廢水處理公司之一，華盛頓郊區(qū)衛(wèi)生委員會（WSSC）一直在積極倡導(dǎo)在市政水務(wù)行業(yè)嵌入可持續(xù)能源，在2010 年建立了2 個獨立的2 MW 的太陽能光伏電站，并與Standard Solar（SSI）和Washington Gas Energy Systems，Inc.（WGES）合作，在位于馬里蘭州的Western Branch 工廠和Seneca 工廠開發(fā)了5 MW 的太陽能光伏發(fā)電供能系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅安裝了新的繼電器防止電力回輸?shù)诫娋W(wǎng)，而且采用了多種互連模式以保證符合當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境法規(guī)。該太陽能光伏系統(tǒng)可提供運營這2 家工廠所需電力的12%～21%〔10〕。

加利福尼亞州的West Basin 市政水務(wù)公司在2006 年對其水循環(huán)設(shè)施的供能系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造，即安裝光伏太陽能電力系統(tǒng)，以獲得使用太陽能的長期經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。Sun Power 公司協(xié)助West Basin 公司完成了光伏電池陣列的安裝〔11〕，系統(tǒng)安裝在地下混凝土處理儲罐的頂部，外觀如圖1 所示。該太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可產(chǎn)生約7.83×105kW·h/a的清潔可再生電力，同時降低約10%的電耗成本，并預(yù)測將在13 a 內(nèi)達(dá)成收益〔12〕。

圖1 West Basin 太陽能電力系統(tǒng)Fig.1 Solar power system of West Basin

加州福尼亞州的Hill Canyon 污水廠（HCTP）長期以來以其精益的環(huán)境管理聞名于世，其污水處理設(shè)有三級處理裝置，目前現(xiàn)場60%的耗電由一部500 kW 的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)和功率1 MW 的太陽能光伏系統(tǒng)提供，該光伏系統(tǒng)于2007 年初安裝〔圖2（a）〕，可抵消當(dāng)前15%的電網(wǎng)購買電量〔13〕。Rancho California 水務(wù)區(qū)（RCWD）的Santa Rosa 再生水廠在2009 年安裝了功率1.1 MW的光伏系統(tǒng)，該系統(tǒng)取得了諸多積極的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益，清潔能源占其總能耗的30%，可節(jié)省15.2 萬美元/a的成本。Ventura 市的Moorpark 再生水廠在2010 年與AECOM 和REC Solar 合作，于2011 年7 月建成了 功率可達(dá)1.13 MW 的光伏太陽能系統(tǒng)，該太陽能光伏系統(tǒng)于2012 年11 月投入使用，并獲得并行運行許可，目前能產(chǎn)生約2.234×106kW·h/a 的電力，大約能滿足水處理設(shè)施75%的能源需求〔圖2（b）〕〔14-15〕。

圖2 Hill Canyon 污水廠（a）和Moorpark 再生水廠（b）太陽能光伏系統(tǒng)Fig.2 Solar photovoltaic system of Hill Canyon wastewater plant（a）and Moorpark reclaimed water plant（b）

在新澤西州，Camden 市政公用事業(yè)管理局（CCMUA）于2012 年7 月在Camden 污水處理廠建設(shè)了一個1.8 MW 的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)由7 200 多塊太陽能電池板組成，覆蓋28 328 m2的開放池。設(shè)計的創(chuàng)新之處在于2.43～2.74 m 高的頂棚系統(tǒng)的安裝不會干擾其他設(shè)備池的使用，并且克服了該廢水處理廠缺乏土地和屋頂?shù)娜毕荩欣诓僮骰蚓S護(hù)。據(jù)估計，該太陽能光伏系統(tǒng)可產(chǎn)生大約2.20×106kW·h/a 的電力，做到自給自足后還可為附近400 多戶家庭提供電力〔15-16〕。

歐洲國家大約有19 074 個污水處理廠，約從電網(wǎng)消耗2.474 7×1010kW·h/a 的電力，而且這些污水處理廠向大氣排放了約2.47×107t 的CO2。因此，歐洲各國實現(xiàn)光伏發(fā)電驅(qū)動污水廠運行的潛力還很大，預(yù)計最高可降低22%～54%的電網(wǎng)電耗〔17〕。

國外的光伏-污水處理廠從上世紀(jì)80 年代開始發(fā)展，歷史較久。從近十幾年的發(fā)展情況看，美國接入光伏發(fā)電系統(tǒng)的污水處理廠從開始時只為廠內(nèi)貢獻(xiàn)20%左右的電力到之后做到自給自足，太陽能光伏系統(tǒng)在污水廠供應(yīng)的電量不斷增加，在建設(shè)規(guī)模只有1～2 MW的情況下，基本可產(chǎn)生105～106kW·h/a 的電力。

2 國內(nèi)光伏-污水廠的應(yīng)用現(xiàn)狀

在我國，污水處理廠是高耗能產(chǎn)業(yè)之一，能耗費用占運營維護(hù)成本的30%～75%，能耗大、運行費用高的缺點一定程度上阻礙了污水處理廠的建設(shè)〔18〕。根據(jù)2021 年住房城鄉(xiāng)建設(shè)部公布的數(shù)據(jù)，全國城市已累計建設(shè)了近4 140 座污水處理廠〔19〕。我國污水廠數(shù)量較多，能夠接入光伏系統(tǒng)的機(jī)會也就越大，所以在碳中和的大趨勢下，光伏技術(shù)在污水廠中的發(fā)展?jié)摿薮蟆?0〕。

在國家政策的激勵下，2011 年年底，中冶恩菲在北京良鄉(xiāng)衛(wèi)星城污水處理廠完成了我國首個污水處理廠光伏建筑一體化項目，該污水處理廠處理水量為4 萬t/d，光伏系統(tǒng)裝機(jī)容量峰瓦值達(dá)到0.674 MW，平均發(fā)電量為8.085×105kW·h/a〔圖3（a）〕〔21〕。2016 年2月臺州市順利建成光伏電站并正式并網(wǎng)發(fā)電，成為全國首個污水處理廠光伏電站，該光伏電站充分利用污水處理廠的屋頂、沉淀池、生化池和接觸池等結(jié)構(gòu)，總裝機(jī)容量為7 MW 的分布式光伏項目分兩期建設(shè)，其中一期（4.39 MW）可以滿足公司20%左右的用電量，二期裝機(jī)容量2.61 MW〔圖3（b）〕〔22〕。

圖3 北京良鄉(xiāng)衛(wèi)星城污水處理廠光伏系統(tǒng)（a）和臺州污水處理廠光伏系統(tǒng)（b）Fig.3 Photovoltaic system of Beijing Liangxiang satellite city wastewater treatment plant（a）and Taizhou wastewater treatment plant（b）

揚州潔源排水公司在湯汪污水處理廠、六圩污水處理廠和揚州自來水公司第一水廠建設(shè)光伏項目，3 個廠區(qū)作為光伏電站子系統(tǒng)共鋪設(shè)了9.8×104m2光伏板，總裝機(jī)容量為9.7 MW，其中湯汪污水處理廠3.28 MW、六圩污水處理廠5.935 MW、自來水公司第一水廠0.485 MW〔23〕。天津濱海新區(qū)北塘污水處理廠光伏電站利用清水池、初沉池和生物池頂部空閑地帶建設(shè)光伏發(fā)電設(shè)施，光伏組件安置在廠區(qū)現(xiàn)有構(gòu)筑物的空閑頂板上，平均發(fā)電量約8.57×105kW·h/a。濟(jì)南的梅蘭德水廠光伏發(fā)電項目是山東省首個柔性超大跨距式光伏支架電站示范工程，裝機(jī)容量為300 kW，發(fā)電量為3.7×105kW·h/a，預(yù)計在25 a 的運營期內(nèi)總發(fā)電量約8.07×106kW·h；項目建成后，每年可減排369.54 t 的CO2，壽命周期內(nèi)節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約3 260 t，生態(tài)效益和環(huán)境效益顯著。

目前，全國單體規(guī)模最大的污水處理廠光伏項目當(dāng)屬由合肥金太陽能源科技股份有限公司投資建設(shè)的王小郢污水處理廠。該污水處理廠占用空間面積約1.1×105m2，總?cè)萘繛?0.8 MW 的分布式光伏發(fā)電工程在2018 年正式并網(wǎng)發(fā)電，并網(wǎng)電壓等級為10 kV，項目分2 個并網(wǎng)點接至廠區(qū)內(nèi)10 kV 配電室，可提供約1.2×107kW·h/a 的綠色清潔電能，相當(dāng)于每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤3 936 t、減排CO211 965 t、降低碳粉塵3 264 t〔24〕。該項目所發(fā)電能采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式，90%以上的電能可被污水處理廠就地消納。王小郢污水處理廠因享受電價優(yōu)惠政策，每年可節(jié)省電費支出70 萬元以上。該項目通過在污水處理廠氧化溝和沉淀池上方空間布排光伏組件，不僅實現(xiàn)了空間資源的綜合有效利用，而且光伏板對污水池的遮擋一定程度上抑制了池內(nèi)藻類的繁殖，增大了處理工藝的優(yōu)化空間〔25〕。該項目還對氧化溝和沉淀池進(jìn)行了有效封閉，污水廠環(huán)境煥然一新，其廠區(qū)面貌如圖4 所示〔26〕。

圖4 王小郢污水處理廠Fig.4 Wang Xiaoying wastewater treatment plant

河南鄭州的馬頭崗污水處理廠自主研發(fā)的“光伏+水務(wù)”新模式已成為全亞洲“全流程智能自動控制+光伏能源回用”的典型代表。通過科學(xué)調(diào)控與細(xì)化管理，該污水廠處理水量達(dá)到84 萬t/d，超高容量太陽能光伏發(fā)電板總?cè)萘扛哌_(dá)17 MW，可發(fā)電約1.9×107kW·h/a，滿足了該污水處理廠全年近四分之一的用電量，節(jié)能減排效果明顯〔27〕。

雖然我國的光伏-污水廠建設(shè)起步較晚，但在發(fā)電量和建設(shè)規(guī)模上發(fā)展很快，發(fā)電量從2011 年最初的8.085×105kW·h/a 發(fā)展到后來的107kW·h/a 的水平，建設(shè)總?cè)萘恳舶l(fā)展到17 MW。然而，我國規(guī)模較大的光伏污水廠基本都位于東部沿海省份，西部的大型污水廠正處于發(fā)展階段。西部高原上充沛的太陽能與“光伏+污水廠”的理念較為契合，將會有更大的推廣價值，但污水處理有待進(jìn)一步開發(fā)〔28〕。除此之外，分布在東部沿海對光伏系統(tǒng)抵御極端天氣的能力有著一定的考驗，近幾年有研究對強(qiáng)臺風(fēng)情形下的光伏設(shè)施進(jìn)行了強(qiáng)度設(shè)計和評估〔29-30〕，發(fā)現(xiàn)在對光伏板結(jié)構(gòu)體型系數(shù)、構(gòu)造措施等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后，光伏設(shè)施受損程度有所降低。但鑒于2015 年廣東的光伏設(shè)施遭到臺風(fēng)破壞〔31〕，光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計方法仍需進(jìn)一步研究。

3 污水處理廠光伏嵌入的關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新

除了在大型合流式市政污水處理廠中的應(yīng)用，光伏系統(tǒng)還可以與農(nóng)村分散式小型污水處理設(shè)施、新型地埋式污水處理廠結(jié)合，相關(guān)工程也已投入建設(shè)。與此同時，在分布更廣的涉水用能情景，如河道修復(fù)、近海漁牧、園林和梯田補(bǔ)水等，光伏與水務(wù)還有著更廣闊的協(xié)同空間。下面將對光伏和水務(wù)結(jié)合過程的具體關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)行總結(jié)。

3.1 非晶柔性薄膜電池組件

作為太陽能光伏系統(tǒng)中將光能轉(zhuǎn)換為電能的關(guān)鍵性組件，太陽能電池一直是近些年研究的熱點。非晶硅太陽能電池是20 世紀(jì)70 年代中期發(fā)展起來的一種新型薄膜太陽能電池〔32〕，雖然其光電轉(zhuǎn)換效率還是低于多晶硅材料，但其成本較低且適用于大面積連續(xù)生產(chǎn)，很契合污水處理廠的特點。非晶硅可以在不銹鋼或者塑料襯底上制備極其輕薄的太陽能電池的特點使其很適合與墻面結(jié)合；為了更好地實現(xiàn)光伏與建筑物的一體化，研究者們改進(jìn)了非晶薄膜電池，將襯底換為柔性材料，柔性的薄膜電池組件可以直接黏附于建筑物的屋面金屬板或者防水卷材等，而不需要額外安裝支架系統(tǒng)。董磊〔33〕發(fā)現(xiàn)柔性太陽能電池組件的質(zhì)量相較于晶體硅產(chǎn)品輕很多，柔性屋頂光伏系統(tǒng)的全部設(shè)備包括組件、匯流箱、線槽、線纜等，總質(zhì)量僅為4.9 kg/m2，而晶體硅屋頂光伏系統(tǒng)的全部設(shè)備總質(zhì)量達(dá)25 kg/m2。

柔性薄膜電池組件在實際應(yīng)用中可以和一些懸索結(jié)構(gòu)相結(jié)合。言穆昀〔34〕介紹了北京市郊某污水處理廠并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計，該處理廠綜合生化池處理系統(tǒng)中的澄清池上方采用索膜結(jié)構(gòu)鋪設(shè)了非晶柔性薄膜電池組件作為頂棚材料，形成了一種跨度很大的空間結(jié)構(gòu)，改善了污水處理能力，并更好地實現(xiàn)了光伏發(fā)電。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)支架

支架支撐結(jié)構(gòu)及其材料在光伏建筑一體化中具有重要地位，其設(shè)計很大程度上決定了污水處理廠中的光伏占地。多晶硅組件實施的難點主要是支架以及支架地基的設(shè)計，原因主要是多晶硅組件的結(jié)構(gòu)形式不能影響到正常的污水處理以及盡量減少占地面積。為了防止防水系統(tǒng)被破壞，大多數(shù)污水廠采用在屋頂混凝土塊配重和預(yù)埋件的方法，但是太陽能電站大多又采用地錨法和直埋法〔35〕來保證電站的可靠性和穩(wěn)定性。一些常見的與多晶硅組件結(jié)合的鋼結(jié)構(gòu)有傾斜方陣式、幕墻框式、外掛式和平臥式鋼結(jié)構(gòu)等〔36〕，其中較為普遍和簡易的是傾斜方陣式鋼結(jié)構(gòu)支架，但是這種結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面較大、承受載荷大、容易毀壞，而且安裝時很容易破壞屋頂?shù)姆浪到y(tǒng)。2017 年華電水務(wù)提出的避震抗沉光伏陣列基礎(chǔ)〔37〕采用若干個螺旋鋼樁將光伏支架固定，這種結(jié)構(gòu)既可保證光伏組件不會破壞原有市政水廠的管線及建筑結(jié)構(gòu)，且抗震、抗風(fēng)性能良好?？煽康匿摻Y(jié)構(gòu)支撐可以為處理廠省下較多的后期維修費用，但這種結(jié)構(gòu)只可用于地面，而難以與建筑屋頂結(jié)合。因此，仍需開發(fā)新型的與太陽能多晶硅組件連接的鋼結(jié)構(gòu)支架形式，并輔以更適合的支架地基設(shè)計。

支架設(shè)計還需考慮污水處理特殊環(huán)境下的防腐效果。污水中含有多種物質(zhì)，對支撐分布式光伏的鋼鐵支架的腐蝕性大大增加，所以分布式光伏使用的支架不僅僅是抗風(fēng)化、耐腐蝕的不銹鋼支架，還需要特制合適的支架〔38〕。2017 年華電水務(wù)公開了一種使用熱浸鍍鋅的薄壁型鋼作為光伏陣列的支架〔39〕，鋼的保護(hù)層添加了阻銹劑，可提高支架的使用壽命。為實現(xiàn)耐蝕，還可從材料方面入手，牛子煜等〔40〕提出了一種耐候鋼，其耐大氣腐蝕能力為普通碳素鋼的2～8 倍，工程應(yīng)用時大大減少了后期維護(hù)的費用，相比傳統(tǒng)鍍鋅鋼支架綜合單價節(jié)省了50～1 000 元/t，具有強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)的雙重收益。

3.3 柔性支架

太陽能光伏柔性支架是為了在橫向懸掛或斜拉的鋼索上安裝光伏板，鋼索兩端由剛性支撐連接，柔性支架可以與多晶硅組件或非晶柔性薄膜太陽能組件相結(jié)合。光伏柔性支架由柔性系統(tǒng)和支架系統(tǒng)組成，其中柔性系統(tǒng)由預(yù)應(yīng)力懸索、穩(wěn)定索、組件固定夾具、光伏組件等構(gòu)成；支架系統(tǒng)由基礎(chǔ)（包括獨立基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)）、鋼立柱、鋼梁、支撐體系（包括斜拉索、斜支撐）等構(gòu)成〔41〕。這種柔性支架結(jié)構(gòu)可以跨越復(fù)雜的地形，在污水處理廠中可以有效解決支架的占地問題且有著很好的強(qiáng)度。

許多研究針對柔性支架提出了一些改進(jìn)。2018年江蘇印加新能源公開了一種柔性光伏支架〔42〕，該支架采用跨度很大的結(jié)構(gòu)對光伏組件設(shè)置固定裝置，且支撐柱可轉(zhuǎn)動以減少受風(fēng)時產(chǎn)生的應(yīng)力，2 根立柱之間設(shè)置若干根拉線，實現(xiàn)了輕量化和跨度大的目標(biāo)。2018 年東南大學(xué)的朱明亮團(tuán)隊分別對柔性支架中的穩(wěn)定索進(jìn)行了改進(jìn)，提出了3 種固定方式，分別為索桁式〔43〕、斜拉式〔44〕、懸吊式〔45〕。索桁式和斜拉式柔性光伏支架單元豎向剛度較高，避免了光伏組件在風(fēng)荷載作用下的振動，可用于大跨度的情形，而且由于構(gòu)件采用裝配化，結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量較輕，便于儲存和運輸，并能夠?qū)崿F(xiàn)多次反復(fù)拆裝使用。懸吊式柔性支架的穩(wěn)定索既設(shè)有橫向又設(shè)有豎向，通過豎向索的調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)對光照角度的實時跟蹤，提高發(fā)電效率，并且可與其他臨時結(jié)構(gòu)相結(jié)合以實現(xiàn)多種功能。在實際應(yīng)用中，2019 年滄州市運東污水處理廠在其氧化溝和厭氧池上方安裝了柔性光伏支架結(jié)構(gòu)，其支撐結(jié)構(gòu)為螺旋式鋼樁，并在上方拉有鋼纜形成的框架網(wǎng)以鋪設(shè)光伏組件，有效解決了光伏設(shè)施的占地問題。

柔性支架的使用很好地解決了光伏組件對大面積占地的需求，而且可以有效跨越復(fù)雜地形，但是其安裝和維修的問題還有待解決。

3.4 接入方案與設(shè)計

分布式光伏發(fā)電有2 種形式，分別為上網(wǎng)以及離網(wǎng)，離網(wǎng)為自發(fā)自用，上網(wǎng)則是接入電網(wǎng)，也稱并網(wǎng)。分布式并網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理是利用光伏組件半導(dǎo)體材料的“光電”效應(yīng)，由光伏組件將太陽的輻射能轉(zhuǎn)換成直流電能，可通過控制器將直流電能直接供給用戶直流負(fù)載，也可將直流電經(jīng)并網(wǎng)逆變器輸出交流電供給本地交流負(fù)載，多余的交流電能輸送給電網(wǎng)〔46〕。分布式光伏發(fā)電應(yīng)遵循“因地制宜、清潔高效、分散布局、就近利用”的原則，并充分利用當(dāng)?shù)靥柲苜Y源替代和減少化石能源消費，所以需要開發(fā)更新型的并網(wǎng)技術(shù)，以保證電路的穩(wěn)定和有效分配。

典型的分布式光伏發(fā)電項目的消納模式為“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)、電網(wǎng)調(diào)節(jié)”，這種方式不僅能充分利用清潔能源實現(xiàn)自給自足，還可以得到政策補(bǔ)貼以彌補(bǔ)光伏系統(tǒng)的安裝費用，帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。但是分布式光伏發(fā)電接入電網(wǎng)需要一定的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)且需要一些創(chuàng)新的方式。分布式光伏發(fā)電和并網(wǎng)過程中，光伏發(fā)電系統(tǒng)依照接入點數(shù)量可分成2種，分別為單點接入系統(tǒng)和多點接入系統(tǒng)；依照接入點電壓等級可分成2 大類，10 kV 及以上為高壓接入系統(tǒng)，三相380 V 及單相220 V 為低壓接入系統(tǒng)〔47〕。根據(jù)國家電網(wǎng)公司的有關(guān)規(guī)范要求，光伏發(fā)電系統(tǒng)需要采用10 kV 電壓等級接入企業(yè)配電網(wǎng)并設(shè)置不低于2 個并網(wǎng)點，以滿足單個并網(wǎng)點光伏裝機(jī)容量不高于6 MW 的要求〔48〕。2015 年海天水務(wù)公布的一項專利〔49〕中設(shè)計了一種用于工業(yè)污水處理的光伏裝置，主要包括控制電路、直流輸出端、交流輸出端、逆變器；太陽能電池陣列板設(shè)有光電感應(yīng)器，可以根據(jù)環(huán)境的光照強(qiáng)度自動調(diào)整，以保證發(fā)電的穩(wěn)定；而控制電路可將轉(zhuǎn)化后的電能通過直流輸出端直接用于設(shè)備使用，也可以通過逆變器輸出交流電以接入電網(wǎng)，這種能夠自動調(diào)整的電路更適合光伏發(fā)電接入電網(wǎng)。王少波等〔50-51〕介紹了光伏發(fā)電在污水處理廠中的實際應(yīng)用，接入方式都創(chuàng)新地采用了監(jiān)控測量系統(tǒng)對系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控，并實時調(diào)整以便更協(xié)調(diào)地接入電網(wǎng)。

因為光伏發(fā)電的特殊性，接入電網(wǎng)的方案需要進(jìn)一步設(shè)計創(chuàng)新才能使運行效果最佳化。

3.5 儲能技術(shù)

光伏能源的嵌入需要考慮到日照波動與季節(jié)變化的影響以及污水廠的連續(xù)工作性，單純的光伏發(fā)電接入容易造成供配電系統(tǒng)的不穩(wěn)定，因此儲能系統(tǒng)的建設(shè)也相當(dāng)重要。在光伏板接入污水廠后首先需要儲能設(shè)備將發(fā)出的電能充入儲能電池，由儲能系統(tǒng)為污水廠供電。無儲能設(shè)備和有儲能設(shè)備的光伏-污水系統(tǒng)見圖5。

圖5 無儲能設(shè)備（a）和有儲能設(shè)備（b）的光伏-污水系統(tǒng)Fig.5 Photovoltaic sewage system without energy storage equipment（a）and with energy storage equipment（b）

單純的沒有配備儲能設(shè)備的光伏發(fā)電系統(tǒng)存在兩個方面的缺陷：一是受氣象、季節(jié)、光照強(qiáng)度的變化影響，光伏發(fā)電的出力不穩(wěn)定；二是污水廠的工作性質(zhì)使其難以在夜晚做到光伏發(fā)電來支撐處理工藝的能耗，所以這種形式的光伏-污水廠增加了污水廠配電系統(tǒng)的管理難度，且節(jié)能較少。接入儲能設(shè)備的光伏-污水系統(tǒng)采用新興的鋰電池儲能系統(tǒng)〔52〕，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，光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能通過PCS 總線儲存在蓄電池中，并通過監(jiān)控主機(jī)和BMS 調(diào)控，這樣可減少電力波動對供電系統(tǒng)的沖擊，從而提高供電系統(tǒng)的可靠性，并減少系統(tǒng)損耗。

儲能系統(tǒng)需要有一定的靈活性，以便將光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能存儲，并在用電負(fù)荷高峰時釋放。保證電網(wǎng)系統(tǒng)有效運轉(zhuǎn)，區(qū)域的用電需求才能真正得到有效滿足〔53〕。儲能系統(tǒng)可以引入智能系統(tǒng)或開發(fā)智能控制手段，根據(jù)污水廠內(nèi)的用電情況進(jìn)行供配電的調(diào)節(jié)。2017 年孫振宇等〔54〕建立數(shù)學(xué)模型對光照和氣候變化條件下的光伏發(fā)電量進(jìn)行了模擬計算，該模型包括逆變器等接入方案中的關(guān)鍵參數(shù)，通過對春夏秋冬4 個典型日進(jìn)行光伏出力計算，得出全天各時段單個光伏電池的發(fā)電量并確定所需光伏電池數(shù)，并與對應(yīng)時段的用電量相比較，從而確定污水處理廠分布式光伏最佳裝機(jī)容量，這種數(shù)學(xué)模型預(yù)測的方法很有借鑒價值。不僅如此，很多企業(yè)采用了超級電容器加蓄電池的組合方式，還可以搭載變轉(zhuǎn)器和光伏陣列等其他電子元件〔55〕，通過降低整體網(wǎng)流的諧波含量緩解功率波動的問題，并能夠真正地調(diào)整并網(wǎng)的電流。

3.6 與風(fēng)電、市電、熱泵等結(jié)合的多能互補(bǔ)方案

在利用太陽能光伏發(fā)電的同時，風(fēng)能、污水熱能、生物質(zhì)能等新能源也可以同時接入污水處理廠，形成一種多能互補(bǔ)的系統(tǒng)。近些年，有一些污水廠開始探索多能互補(bǔ)的系統(tǒng)方案。孫振宇等〔56〕采用污水源熱泵與分布式光伏發(fā)電-市電雙電源協(xié)同供電，該供應(yīng)系統(tǒng)分為污水處理、污水源熱泵和分布式光伏發(fā)電3 部分。采用該方案的污水廠每年共節(jié)約387.1 t 標(biāo)準(zhǔn)煤，減排483.9 t CO2以及其他大氣污染物，得到了很好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。多能互補(bǔ)系統(tǒng)流程如圖6 所示。

圖6 多能互補(bǔ)綜合能源利用系統(tǒng)Fig.6 Multi energy complementary comprehensive energy utilization system

李鵬宇等〔57〕研究了太陽能和風(fēng)能協(xié)同供電驅(qū)動污水處理的設(shè)施，該設(shè)施利用太陽能與風(fēng)能的季節(jié)互補(bǔ)性，通過調(diào)控自動控制系統(tǒng)以及建立相關(guān)運行工況，實現(xiàn)了發(fā)電單元電能輸出穩(wěn)定，且能源利用率達(dá)到80%。這種互補(bǔ)的方案可以大大減少光伏發(fā)電的局限性，降低儲能設(shè)施的成本。多元模式的發(fā)展在節(jié)約能源的同時提高了生態(tài)效應(yīng)，并且實現(xiàn)了循環(huán)經(jīng)濟(jì)〔58〕，有很高的推廣價值。

一些企業(yè)也提出了太陽能與市電、風(fēng)電相結(jié)合的方案。北京博大水務(wù)接連提出了光伏電與市電協(xié)同供電的污水處理系統(tǒng)〔59〕、雙膜法再生水處理系統(tǒng)〔60〕和SBR 污水處理系統(tǒng)〔61〕，這3 種多能協(xié)同的系統(tǒng)都包括了分布式光伏矩陣、智能控制系統(tǒng)、光伏儲能系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)以及不同的水處理系統(tǒng)；分布式光伏矩陣上安裝有環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，配合智能控制系統(tǒng)可以簡便高效地實現(xiàn)白天黑夜不同運行條件下對市電和太陽能的切換和調(diào)控，最大限度地利用光伏電供電，并將處理后的污水二次利用，保證光伏發(fā)電的發(fā)電效率。2020 年湖北金寶馬環(huán)保提出了一種風(fēng)能和太陽能互補(bǔ)供電的污水處理系統(tǒng)〔62〕，該系統(tǒng)包括供電裝置、污水處理裝置和水泵，太陽能光伏與風(fēng)力發(fā)電機(jī)都為污水水泵供電以驅(qū)動污水進(jìn)入?yún)捬醭氐忍幚沓?；通過供電互補(bǔ)控制器調(diào)控2 種能量，彌補(bǔ)了陰雨天光伏發(fā)電的困難，保證了新能源接入的污水廠運行更加穩(wěn)定。

除了風(fēng)能、市電，更多種類新能源互補(bǔ)的運行方案還可以進(jìn)一步開發(fā)。

3.7 融合光伏的水處理技術(shù)創(chuàng)新

為了充分利用太陽能光伏，一些創(chuàng)新性融合光伏的水處理系統(tǒng)和技術(shù)被提出。其中較為普遍的是光伏/光熱一體化裝置，該系統(tǒng)的基本原理是將太陽能電池和太陽能光熱裝置集合成一個單元，光熱裝置中的液體流過太陽能電池起冷卻作用的同時又可以維持較高的液體溫度〔63〕，該方法既提高了太陽能電池的發(fā)電效率，又對液體起到了加熱升溫的作用，更好地實現(xiàn)了一些需要高溫水處理的工藝。C.ZAMFIRESCU 等〔64〕提出了一種光伏/光催化系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用光伏作為光源進(jìn)行光催化處理硫磺廢水，同時電解該廢水產(chǎn)生了氫氣。M. E. ORUC 等〔65〕在此基礎(chǔ)上提出了集光伏電池與電解水制氫反應(yīng)器于一體的混合系統(tǒng)。可以發(fā)現(xiàn)，這些融合光伏的創(chuàng)新型水處理技術(shù)都與電解制氫有關(guān)，而氫氣又可以替代反硝化工藝的碳源，所以該技術(shù)對于污水處理有著很重要的價值。Zhen WANG 等〔66〕提出了一種光伏/光催化混合水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)將光催化反應(yīng)器與光伏電池組成一個整體，實現(xiàn)了光伏發(fā)電與有機(jī)染料廢水處理于一體；染料廢水經(jīng)離心泵在電池板上方循環(huán)流動，太陽光中的紫外光作為光源進(jìn)行光催化降解有機(jī)廢水，可見光與近紅外光用于電池板的發(fā)電，循環(huán)廢水吸收太陽光中的遠(yuǎn)紅外光從而降低了電池溫度，實現(xiàn)了太陽光全光譜的利用。然而，這些方法的發(fā)電量還有待提高，更有效率的創(chuàng)新性方案的開發(fā)還有很大的空間。此外，這些創(chuàng)新性的處理技術(shù)還停留于實驗室階段，在經(jīng)濟(jì)性上也還有一定的局限性，還需要大規(guī)模的實踐才能推廣。

光伏接入除了驅(qū)動具體的水處理工藝，還催生了智能控制系統(tǒng)的開發(fā)，即智能水務(wù)。智能水務(wù)是指采用各種在線監(jiān)測設(shè)備對水廠內(nèi)的水質(zhì)等參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控與調(diào)控，通過分析與處理海量水務(wù)信息來輔助決策建議，以更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理水務(wù)系統(tǒng)的生產(chǎn)、運營和服務(wù)流程，從而達(dá)到“智慧”的狀態(tài)?！肮夥?水務(wù)”是把光伏發(fā)電過程中各種影響因素也加以監(jiān)控與調(diào)整，形成與污水處理相結(jié)合的智能系統(tǒng)，這一方面仍需進(jìn)一步研究。

光伏技術(shù)與污水處理廠結(jié)合在生態(tài)效益方面有很高的推廣價值，而在經(jīng)濟(jì)性方面還有一定的發(fā)展空間。因為一些技術(shù)還未發(fā)展成熟，目前主要在后期維修方面和國家政策補(bǔ)貼上有較好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，但經(jīng)濟(jì)性方面的特點仍是投資大、回收周期長。

4 光伏嵌入的激勵政策

政府對于環(huán)保問題的重視日益增加，在我國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)宣布后，已經(jīng)有發(fā)展基礎(chǔ)的光伏產(chǎn)業(yè)將得到進(jìn)一步的推廣，并且更好地帶動“光伏+水務(wù)”的開發(fā)。我國對于光伏發(fā)電應(yīng)用的激勵政策自2009 年開始，表1 列舉了近十幾年來我國光伏技術(shù)與污水處理企業(yè)結(jié)合的相關(guān)政策。

表1 光伏技術(shù)與污水處理企業(yè)相結(jié)合的政策Table 1 Policies for the combination of photovoltaic technology and wastewater treatment enterprises

從近幾年的國家政策可以看出，污水處理企業(yè)中光伏技術(shù)的應(yīng)用不僅可以通過“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)”的形式對企業(yè)本身產(chǎn)生一定的收益，還可以從碳交易市場中獲得收益。例如按照CCER（核證自愿減排量）市場的交易價格，一個年發(fā)電量500 MW 左右的光伏電站在其全生命周期（25 a）內(nèi)最多可以減排1.3×105t的CO2，通過碳交易可額外收益0.2 元/（kW·h）〔67-68〕。在上海、廣東等地逐步出臺的碳普惠機(jī)制也將污水處理廠分布式光伏項目納入了重點場景，相關(guān)方法學(xué)和激勵機(jī)制建設(shè)正在開展中。

5 展望

光伏技術(shù)在污水處理廠的應(yīng)用具有顯著的能源替代優(yōu)勢，普遍可節(jié)電20%～30%，是污水廠節(jié)省電費和減少碳排放的有效手段。但是，目前光伏技術(shù)節(jié)能減排效益出現(xiàn)了瓶頸，盡管有國家政策的激勵，許多分布式光伏發(fā)電項目還是因安裝難度高、電費回收不穩(wěn)定等問題遭遇了一定的困難。究其原因，筆者認(rèn)為主要在于光伏與構(gòu)筑物銜接的親和性不強(qiáng)、天氣變化對光伏效用的影響較大、光伏發(fā)電替代傳統(tǒng)電能的模式單一、光伏技術(shù)應(yīng)用場景的潛力挖掘不夠等。因此，“光伏+水務(wù)”模式的下一步開發(fā)和創(chuàng)新還需要從以下四方面重點突破：

（1）盡管污水處理廠占地大、布局扁平化、結(jié)合系統(tǒng)土地邊界效應(yīng)好，但其與光伏技術(shù)的結(jié)合關(guān)系實際更應(yīng)看作是建筑光伏一體化的系統(tǒng)性問題，需要在非晶柔性薄膜電池組件、多晶組件鋼結(jié)構(gòu)支架、柔性支架等光伏技術(shù)主要構(gòu)件上加強(qiáng)研究，從而達(dá)到光伏與構(gòu)筑物的充分融合，獲取更大的鋪設(shè)規(guī)模。

（2）光伏儲能系統(tǒng)需要對天氣變化具有更強(qiáng)的靈活性，即在光伏有效時間內(nèi)的儲能效用還需大幅提升。光伏儲能系統(tǒng)可以引入合理模型和精準(zhǔn)算法，根據(jù)污水廠用電情況調(diào)節(jié)供配電和計算最優(yōu)電量儲存量，在不同季節(jié)執(zhí)行不同的光伏使用方案，從而達(dá)到光伏節(jié)能的最大化收益。此外，光伏系統(tǒng)的接入對極端天氣的抵御能力和在全國各地的推廣仍需進(jìn)一步研究。

（3）在使用光伏發(fā)電的同時，風(fēng)能、污水熱能、生物質(zhì)能等新能源也可以同時接入污水處理廠，形成多能互補(bǔ)的系統(tǒng)。通過引入智能化的用能管理系統(tǒng)，根據(jù)污水廠用電情況進(jìn)行科學(xué)調(diào)控和匹配，實現(xiàn)不同發(fā)電單元切換、總體電能輸出穩(wěn)定、能源替代比例進(jìn)一步提高的目標(biāo)。

（4）融合光伏的水處理技術(shù)在污水處理廠的應(yīng)用，節(jié)能減排與提質(zhì)增效應(yīng)雙管齊下，如引入光伏/光催化系統(tǒng)、光伏/電解制氫/零碳反硝化系統(tǒng)等。

展望未來，隨著上述技術(shù)問題的解決和突破，光伏技術(shù)在污水處理廠的鋪設(shè)規(guī)模、裝機(jī)容量和融合程度將會不斷擴(kuò)大。結(jié)合精細(xì)化管理和智能化控制，在當(dāng)今“碳達(dá)峰、碳中和”的歷史任務(wù)下，“光伏+水務(wù)”模式必將煥發(fā)出更加蓬勃的生機(jī)。