能耗在污水廠運營成本中的占比很大。如何利用新技術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注重點。今天我們將向大家介紹美國幾家污水廠應用太陽能的案例。
1、華盛頓郊區衛生委員會,Senecaand Western Branch污水廠，馬里蘭州Germantown&Upper Marlboro
華盛頓郊區衛生委員會(Washington Suburban Sanitary Commission,WSSC)建立了兩個獨立的2兆瓦太陽能光伏電站，每個系統能抵消年度并網購電量約3278MWh/年。這兩個光伏發電系統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，WashingtonGasEnergyServices(WGES)為業主和PPA提供商。AECOM協助WSSC審核EPC供應商的設計文件，以確保系統的高質量。AECOM還向馬里蘭州環境部（MDE）提交了環境許可文件，以保證太陽能光伏系統符合當地的環境法規。兩個系統都連接在13.2kV/480V降壓器的客戶端，且位于變壓器和保護污水處理廠的任何繼電器或斷路器之間。由于互聯點的選擇以及太陽能產電量有時（盡管很少）超過現場耗電量，新的繼電器已安裝到位用來防止電力輸出回至電網。DCWater的BluePlains污水處理廠設施的互連策略與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的中壓電路中。
2、HillCanyon污水廠，加州ThousandOaks
HillCanyon污水廠建于1961年，日處理量約為3.8萬噸，以優異的環境管理而聞名。污水廠設有三級處理裝置，經過處理的廢水可作為中水回用。現場65%的耗電產自500千瓦的熱電聯產機以及584千瓦直流電（500千瓦交流電）的太陽能光伏系統。太陽能光伏系統安裝在作為生物固體干燥床的溢流貯水池內，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，盡量減少水侵發生。該系統經過設計，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行安裝，減少了傳統打樁或地基所需的施工量。太陽能光伏系統于2007年初安裝，能夠抵消當前15%的電網購電。
HillCanyon污水廠584千瓦直流電太陽能光伏系統
3、Ventura郡水務區，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戰略規劃詳細介紹了五個“重點領域”，其中包括“環境、土地利用和基礎設施”。以下為這一特定領域的重點戰略目標：“通過獨立運作、區域規劃以及和公/私協作實施具有成本效益的節能減排措施”。2010年，Ventura郡水務1號區與AECOM合作開始對光伏系統進行調研。2011年7月，該地區在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。該地區經歷了漫長的提案請求（Request for Proposal,RFP）流程，最終于2012年初，REC Solar公司被獎勵授權該項目，開始進行光伏系統的設計和建設。光伏系統于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每年能產生約230萬度電，差不多能抵消水廠80%的電網購電。如圖9所示，單軸跟蹤系統比傳統的固定傾斜系統多產生20%的電量，因此整體的產電量得到了提升。需要注意的是，當軸處于南北方向且位陣列位于舉行開放區域時，單軸跟蹤系統效率最高。Mookpark廢棄物回收廠利用相鄰的農田為光伏系統提供最佳場所。跟蹤系統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，該地區將節省約450萬美元。
Moorpark再生水廠1.13兆瓦直流電太陽能光伏系統
4、Camden郡市政公用事業管理局,新澤西
2010年，Camden郡市政公用事業管理局(Camden County Municipal Utilities Authority,CCMUA),給自己制定了大膽的目標，即使用100%可再生的且比當地電力便宜的能源處理每天產生的6000萬加侖（約22萬m³）污水。CCMUA意識到太陽能光伏系統具備這樣的潛力，然而CCMUA污水廠主要由開放式反應池組成，而傳統的屋頂太陽能電池陣列無法形成一定的規模來供電。盡管如此，CCMUA還是公開招標。參與招標的HelioSage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部署在開放式沉淀池上方。由于該項目只有在CCMUA能夠實現即時節能的情況下才有意義，因此方案設計不僅必須穩健，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電系統，該系統由7200多塊太陽能電池板組成，覆蓋7英畝大小的開放池。設計的創新之處在于8-9英尺高的天篷系統的安裝，不會干擾其他設備池的使用，操作或維護。太陽能光伏結構是防腐（鹽水、碳酸和硫化氫）設計，由Schletter（一家知名的光電托架系統供應商，包括車棚）制造的改裝車棚天篷。根據PPA，CCMUA無資本支出，也不負責任何運營和維護成本。CCMUA唯一的財務責任是每月支付固定價格且為期15年的太陽能電費。CCMUA估計將節省數百萬美元的能源成本。據估計，太陽能光伏系統每年將產生大約220萬千瓦時（度）的電力，并且基于CCMUA互動網站的預測表現會更好。該網站顯示當前和累積的能源產量以及環境屬性，并實時反映當前的能源生產情況，如下圖所示。
CCMUA太陽能互動網
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
5、WestBasin市政水務區，加州EISegundo
WestBasin市政水務區(West Basin Municipal Water District)是自1947年以來致力于創新的公共機構，為洛杉磯西部186平方英里的區域提供飲用水和再生水。WestBasin是加州第六大水域，服務近一百萬人口。
2006年，WestBasin決定在其再生水設施上安裝太陽能光伏發電系統，期望獲得長期的財務和環境效益。2006年11月，SunPower公司幫助WestBasin安裝完成光伏電池陣列，由2848個模塊組成，發電功率為564千瓦直流電。系統安裝在所在地區的地下混凝土處理儲罐的頂部。WestBasin的太陽能光伏發電系統每年可產生約78.3萬千瓦時的清潔可再生能源，同時將公共設施成本降低10％以上。自2006年光伏系統安裝以來，截止至2014年1月累計能源產量為5.97千兆瓦（GWh）。下圖顯示了WestBasin的光伏系統。
West Basin再生水廠564千瓦直流電太陽能光伏系統
6、Rancho California水務區,SantaRosa再生水廠，加州Murrieta
自1965年建立以來，Rancho California水務區(Rancho California Water District,RCWD)向方圓150平方英里范圍內的地區提供飲用水、污水處理以及中水回用處理等服務。服務地區為Temecula/RanchoCalifornia，包括Temecula(特曼庫拉)市，Murrieta(穆里亞塔)市部分地區，以及Riverside(里弗賽德)縣的其他地區。RCWD具有前瞻性眼光，對環境和戰略成本高度敏感。面對日漸提高的公共設施費用以及超過500萬美元的年能源費，他們考慮到太陽能光伏發電作為備選方案。在考慮太陽能光伏系統之前，RCWD董事會對一系列可再生能源方案進行了評估，其中包括風力發電，抽水蓄能水庫等。2007年1月，在加州太陽能計劃的驅使下，RCWD拿到了一筆績效獎勵——在當地公共事業單位管轄的五年內每度電僅需支付0.34美元。RCWD通過SunPower公司行使PPA，無需資本支出。RCWD僅需要為光伏系統產生的電量買單。光伏系統由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安裝后，該地區一直享受著多方福利。例如SantaRosa再生水廠（SantaRosaWaterReclamationFacility）一年可以節省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相關的可再生能源信用（RECs），能減少未來30年內7300多萬磅的有害碳排放，對環境做出了積極的市場影響。太陽能光伏系統預計在未來20年內為該地區節省高達680萬美元的電力成本。RCWDSantaRosa廠安裝的太陽能光伏系統是一種傾斜式追蹤系統，與傳統的固定式傾斜系統相比，其能源生產收益率高出約25％，因此與南加類似的單軸光伏系統和固定傾斜系統相比，成本效益也明顯提高。另外，傾斜式追蹤系統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。傾斜的跟蹤系統有其局限性，與單軸跟蹤系統類似，必須建立在開放的不受限制的矩形區域。
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