摘要：降低污水厂的能耗成本是环保行业的普遍需求。采用光伏-储能系统的污水厂可以有效地降低污水处理过程中的电力成本，使得污水厂的运营更加节能、高效。可以预见，光伏-储能-污水厂有机会成为行业的生力军，获得更多的应用并推进环保行业的发展。
关键词：光伏储能技术；污水处理厂；应用
1污水处理厂运行现状和能耗分析
1.1运行现状
现阶段，污水处理厂在运行过程中，由于工作量大一般处于超负荷运转，同时由于污水处理设备简陋处理工艺落后，导致污水处理过程不仅消耗的能源多而且工作效率大大降低、处理成本增加。污水处理厂目前存在的主要问题有很多，包括污水质量达不到人们预期的效果，同时污水处理成本高。因此，污水处理厂要想长久的发展下去，必须要有节能降耗的意识，同时引进新设备，新技术，从而提高污水处理质量，降低能源损耗。
1.2能耗分析
污水处理的能耗主要有两方面：一、污水处理质量提升。污水处理的过程中要想使处理效率以及处理质量都达到更高的水平，必须加大对电能的消耗。目前，污水处理厂选用的多余大功率水泵，而实际水量要小得多，从而使得水泵的处理效率降低，然而水泵工作消耗的电能并没有减少。二、曝气溶氧量较高。污水处理过程中，好氧段的溶氧量浓度有一定的限度，当溶氧量过高时，污水中有机物分解速度会加快，从而微生物缺少必须的食物，进而增加污水处理的能耗。
2污水处理存在的问题
2.1设备设计使用不合理
污水处理的核心装置是提升泵，污水处理质量的高低与提升泵的提升高度有关。污水处理中的能源消耗大部分是为了供应提升泵使用。因此可以通过控制出水高度从而达到提升泵节能降耗的目的。现阶段污水处理厂使用的提升泵的出水高度不符合要求，造成大量的能源损耗。此外，在污水处理中，隔栅能够过滤污水中大颗粒的物体，防止其他设备堵塞，但实际使用的隔栅的空隙较大，起不到完全隔离大颗粒的作用，导致经过处理后的污水中仍然有大颗粒物质。同时沉砂池设置不合理，导致其不能够更好的过滤污水中的小颗粒物质。这些都是设备设计使用不合理造成的能源损耗增大的原因。
2.2缺乏专业操作人员和监管人员
污水处理是关乎民生的重要项目，是环境保护的重要举措。在污水厂实际的工作中，污水处理厂缺少专业的设备操作人员，对于设备的运行原理以及设备的操作流程都没有详细的了解，必然造成能源不必要的浪费，处理质量不佳。严重时会导致污水没经过处理便排放到环境中，对人们的生活产生影响。同时，在污水处理厂工作的过程中，存在缺少污水处理节能降耗的相关规章制度。导致对污水处理监督管理力度严重不足，污水处理厂偷工减料不按实际操作，既增加了污水处理的能耗又使污水处理质量不达标。
3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。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
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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。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。
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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，夜间不能为污水厂设备供电，无法实现全天持续的节能。
4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，构成光伏-储能-污水厂。其供电系统架构如图2所示。
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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。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
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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，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
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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，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0.3004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。
表4光伏-储能系统的降费效果
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可见，储能系统的引入可以显著改善光伏发电系统的运行效果，提升污水厂的节能降费能力。同时，夜间的电网剩余电能也得到了更充分的利用，减少了电能的浪费，实现了综合性的节能。
结束语
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。
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作者简介：汪宇文（1986-），男，工程师，本科，从事分布式、微电网等新能源发电技术研究与应用工作。