能耗在污水廠運營成本中的占比很大。如何利用新技術(shù)以及可再生能源來提高供水和水處理過程中的能效、降低能耗成為了世界很多污水廠的關(guān)注重點。今天我們將向大家介紹美國幾家污水廠應(yīng)用太陽能的案例。
華盛頓郊區(qū)衛(wèi)生委員會, Senecaand Western Branch污水廠， 馬里蘭州Germantown & Upper Marlboro
華盛頓郊區(qū)衛(wèi)生委員會(Washington Suburban Sanitary Commission,WSSC)建立了兩個獨立的2兆瓦太陽能光伏電站，每個系統(tǒng)能抵消年度并網(wǎng)購電量約3278MWh/年。這兩個光伏發(fā)電系統(tǒng)均建于地上開放地段，緊挨著污水處理廠。Standard Solar公司被選為EPC承包商，Washington Gas Energy Services (WGES) 為業(yè)主和PPA提供商。 AECOM協(xié)助WSSC審核EPC供應(yīng)商的設(shè)計文件，以確保系統(tǒng)的高質(zhì)量。AECOM還向馬里蘭州環(huán)境部(MDE)提交了環(huán)境許可文件，以保證太陽能光伏系統(tǒng)符合當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境法規(guī)。兩個系統(tǒng)都連接在13.2kV/ 480V降壓器的客戶端，且位于變壓器和保護(hù)污水處理廠的任何繼電器或斷路器之間。由于互聯(lián)點的選擇以及太陽能產(chǎn)電量有時(盡管很少)超過現(xiàn)場耗電量，新的繼電器已安裝到位用來防止電力輸出回至電網(wǎng)。DC Water的Blue Plains污水處理廠設(shè)施的互連策略與WSSC大相徑庭，需要多種互連方法，主要是考慮到有兩個主要的公用電力饋線分支到三個主電表和相應(yīng)的中壓電路中。
Hill Canyon污水廠 , 加州Thousand Oaks
Hill Canyon污水廠建于1961年，日處理量約為3.8萬噸，以優(yōu)異的環(huán)境管理而聞名。污水廠設(shè)有三級處理裝置，經(jīng)過處理的廢水可作為中水回用�，F(xiàn)場65%的耗電產(chǎn)自500千瓦的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)以及584千瓦直流電(500千瓦交流電)的太陽能光伏系統(tǒng)。太陽能光伏系統(tǒng)安裝在作為生物固體干燥床的溢流貯水池內(nèi)，如圖8所示。這些模塊組件安裝在一個高于最高水位的單軸跟蹤器上，所有的電力裝置都安裝在通道的一側(cè)，盡量減少水侵發(fā)生。該系統(tǒng)經(jīng)過設(shè)計，僅需要通過將直立墩柱錨栓在已有的混凝土水池底板上進(jìn)行安裝，減少了傳統(tǒng)打樁或地基所需的施工量。太陽能光伏系統(tǒng)于2007年初安裝，能夠抵消當(dāng)前15%的電網(wǎng)購電。
Hill Canyon污水廠584千瓦直流電太陽能光伏系統(tǒng)
Ventura郡水務(wù)區(qū)，Moorpark再生水廠， 加州Moorpark
每天有來自9200名用戶約220萬加侖(約8330m3)的污水流入Moorpark再生水廠(Moorpark Water Reclamation Facility)。Ventura縣2011-2016戰(zhàn)略規(guī)劃詳細(xì)介紹了五個“重點領(lǐng)域”，其中包括“環(huán)境、土地利用和基礎(chǔ)設(shè)施”。以下為這一特定領(lǐng)域的重點戰(zhàn)略目標(biāo)：“通過獨立運作、區(qū)域規(guī)劃以及和公/私協(xié)作實施具有成本效益的節(jié)能減排措施”。2010年，Ventura郡水務(wù)1號區(qū)與AECOM合作開始對光伏系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研。2011年7月，該地區(qū)在Moorpark廢棄物回收廠(Waste Reclamation Facility)獲得了1.13兆瓦光伏項目的績效獎勵基金。該地區(qū)經(jīng)歷了漫長的提案請求(Request for Proposal, RFP)流程，最終于2012年初，RECSolar公司被獎勵授權(quán)該項目，開始進(jìn)行光伏系統(tǒng)的設(shè)計和建設(shè)。光伏系統(tǒng)于2012年11月投入使用，并獲得并行運行許可。
目前的太陽能光伏系統(tǒng)每年能產(chǎn)生約230萬度電，差不多能抵消水廠80%的電網(wǎng)購電。如圖9所示，單軸跟蹤系統(tǒng)比傳統(tǒng)的固定傾斜系統(tǒng)多產(chǎn)生20%的電量，因此整體的產(chǎn)電量得到了提升。需要注意的是，當(dāng)軸處于南北方向且位陣列位于舉行開放區(qū)域時，單軸跟蹤系統(tǒng)效率最高。Mookpark廢棄物回收廠利用相鄰的農(nóng)田為光伏系統(tǒng)提供最佳場所。跟蹤系統(tǒng)地基是在地下的寬法蘭梁上打樁，大大減少了建造成本和時間。在該項目的整個生命周期內(nèi)，該地區(qū)將節(jié)省約450萬美元。
Moorpark再生水廠1.13兆瓦直流電太陽能光伏系統(tǒng)
Camden郡市政公用事業(yè)管理局, 新澤西
2010年，Camden郡市政公用事業(yè)管理局(Camden County Municipal Utilities Authority, CCMUA), 給自己制定了大膽的目標(biāo)，即使用100%可再生的且比當(dāng)?shù)仉娏Ρ阋说哪茉刺幚砻刻飚a(chǎn)生的6000萬加侖(約22萬m³)污水。CCMUA意識到太陽能光伏系統(tǒng)具備這樣的潛力，然而CCMUA污水廠主要由開放式反應(yīng)池組成，而傳統(tǒng)的屋頂太陽能電池陣列無法形成一定的規(guī)模來供電。盡管如此，CCMUA還是公開招標(biāo)。參與招標(biāo)的Helio Sage先生表示他相信通過一些額外工程，將類似于太陽能車庫形式的光伏系統(tǒng)部署在開放式沉淀池上方。由于該項目只有在CCMUA能夠?qū)崿F(xiàn)即時節(jié)能的情況下才有意義，因此方案設(shè)計不僅必須穩(wěn)健，而且必須具有成本效益。
2012年7月，CCMUA太陽能中心啟用了一個1.8兆瓦的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)由7200多塊太陽能電池板組成，覆蓋7英畝大小的開放池。設(shè)計的創(chuàng)新之處在于8-9英尺高的天篷系統(tǒng)的安裝，不會干擾其他設(shè)備池的使用，操作或維護(hù)。太陽能光伏結(jié)構(gòu)是防腐(鹽水、碳酸和硫化氫)設(shè)計，由Schletter(一家知名的光電托架系統(tǒng)供應(yīng)商，包括車棚)制造的改裝車棚天篷。根據(jù)PPA，CCMUA無資本支出，也不負(fù)責(zé)任何運營和維護(hù)成本。 CCMUA唯一的財務(wù)責(zé)任是每月支付固定價格且為期15年的太陽能電費。 CCMUA估計將節(jié)省數(shù)百萬美元的能源成本。據(jù)估計，太陽能光伏系統(tǒng)每年將產(chǎn)生大約220萬千瓦時(度)的電力，并且基于CCMUA互動網(wǎng)站的預(yù)測表現(xiàn)會更好。該網(wǎng)站顯示當(dāng)前和累積的能源產(chǎn)量以及環(huán)境屬性，并實時反映當(dāng)前的能源生產(chǎn)情況，如下圖所示。
CCMUA太陽能互動網(wǎng)
CCMUA的底座安裝型太陽能逆變器
CCMUA開放池上方太陽能光伏系統(tǒng)
West Basin市政水務(wù)區(qū), 加州EI Segundo
West Basin市政水務(wù)區(qū)(West Basin Municipal Water District)是自1947年以來致力于創(chuàng)新的公共機(jī)構(gòu)，為洛杉磯西部186平方英里的區(qū)域提供飲用水和再生水。West Basin是加州第六大水域，服務(wù)近一百萬人口。
2006年，West Basin決定在其再生水設(shè)施上安裝太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，期望獲得長期的財務(wù)和環(huán)境效益。2006年11月，Sun Power公司幫助West Basin安裝完成光伏電池陣列，由2848個模塊組成，發(fā)電功率為564千瓦直流電。系統(tǒng)安裝在所在地區(qū)的地下混凝土處理儲罐的頂部。West Basin的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)每年可產(chǎn)生約78.3萬千瓦時的清潔可再生能源，同時將公共設(shè)施成本降低10%以上。自2006年光伏系統(tǒng)安裝以來，截止至2014年1月累計能源產(chǎn)量為5.97千兆瓦(GWh)。下圖顯示了West Basin的光伏系統(tǒng)。
West Basin再生水廠564千瓦直流電太陽能光伏系統(tǒng)
Rancho California水務(wù)區(qū), Santa Rosa再生水廠，加州Murrieta
自1965年建立以來，Rancho California水務(wù)區(qū)(Rancho California Water District , RCWD)向方圓150平方英里范圍內(nèi)的地區(qū)提供飲用水、污水處理以及中水回用處理等服務(wù)。服務(wù)地區(qū)為Temecula/RanchoCalifornia，包括Temecula (特曼庫拉)市，Murrieta (穆里亞塔)市部分地區(qū)，以及Riverside (里弗賽德)縣的其他地區(qū)。RCWD具有前瞻性眼光，對環(huán)境和戰(zhàn)略成本高度敏感。面對日漸提高的公共設(shè)施費用以及超過500萬美元的年能源費，他們考慮到太陽能光伏發(fā)電作為備選方案。在考慮太陽能光伏系統(tǒng)之前，RCWD董事會對一系列可再生能源方案進(jìn)行了評估，其中包括風(fēng)力發(fā)電，抽水蓄能水庫等。2007年1月，在加州太陽能計劃的驅(qū)使下，RCWD拿到了一筆績效獎勵——在當(dāng)?shù)毓彩聵I(yè)單位管轄的五年內(nèi)每度電僅需支付0.34美元。RCWD通過SunPower公司行使PPA，無需資本支出。RCWD僅需要為光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電量買單。光伏系統(tǒng)由SunPower公司籌資，擁有并運營的。
自2009年RCWD的1.1兆瓦直流電光伏系統(tǒng)安裝后，該地區(qū)一直享受著多方福利。例如Santa Rosa再生水廠(Santa Rosa Water Reclamation Facility)一年可以節(jié)省15.2萬美元的成本，約抵消該廠30%的能源需求。此外，隨著RCWD選擇了與其光伏系統(tǒng)相關(guān)的可再生能源信用(RECs)，能減少未來30年內(nèi)7300多萬磅的有害碳排放，對環(huán)境做出了積極的市場影響。太陽能光伏系統(tǒng)預(yù)計在未來20年內(nèi)為該地區(qū)節(jié)省高達(dá)680萬美元的電力成本。RCWD Santa Rosa廠安裝的太陽能光伏系統(tǒng)是一種傾斜式追蹤系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的固定式傾斜系統(tǒng)相比，其能源生產(chǎn)收益率高出約25%，因此與南加類似的單軸光伏系統(tǒng)和固定傾斜系統(tǒng)相比，成本效益也明顯提高。另外，傾斜式追蹤系統(tǒng)需要更大的面積以避免逐行遮蔽陰影，并且必須以直線定向。傾斜的跟蹤系統(tǒng)有其局限性，與單軸跟蹤系統(tǒng)類似，必須建立在開放的不受限制的矩形區(qū)域。
