已封場(chǎng)的垃圾填埋場(chǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中國(guó)華電工程(集團(tuán))有限公司 華電工程設(shè)計(jì)院 ■ 楊光磊

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化水平不斷提高，城鎮(zhèn)規(guī)模、數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，日常垃圾、建筑垃圾也在與日俱增。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)每年產(chǎn)生垃圾約為2.5億t，并以每年8%的速度增長(zhǎng)，垃圾填埋處理及填埋場(chǎng)封場(chǎng)后的開(kāi)發(fā)利用已成為制約城市發(fā)展的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。將封場(chǎng)后的垃圾填埋場(chǎng)建設(shè)為光伏發(fā)電站，不僅利用了填埋場(chǎng)地，而且創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是目前國(guó)內(nèi)外資源再生利用的一個(gè)主要趨勢(shì)[1，2]。

本文以北京市六里屯垃圾填埋場(chǎng)為例，介紹了垃圾填埋場(chǎng)光伏電站的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行基礎(chǔ)方案及設(shè)備選型論證，為今后的垃圾填埋場(chǎng)光伏電站設(shè)計(jì)提供了參考。

1 工程概況

北京市海淀區(qū)六里屯垃圾填埋場(chǎng)位于北京市海淀區(qū)永豐鄉(xiāng)，占地面積達(dá)465300 m2，填埋區(qū)占地面積約為345300 m2，是北京較大的現(xiàn)代化垃圾填埋場(chǎng)，也是海淀區(qū)唯一的無(wú)害化垃圾填埋設(shè)施[3，4]。

垃圾填埋場(chǎng)地面以下埋深為25 m，地面以上設(shè)計(jì)填埋高度為20 m。采用2 mm厚高密度聚乙烯( HDPE) 膜與700 mm厚粘土層復(fù)合作為滲濾液防滲層。填埋場(chǎng)沉降時(shí)間長(zhǎng)，最終沉降量能達(dá)到初始填埋高度的25%～50%[5，6]。

工程地處大陸性季風(fēng)氣候區(qū)域，年平均氣溫為11.8 ℃；年平均降雨量為550 mm；春、冬兩季風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，風(fēng)沙較大，多年平均風(fēng)速為2.6 m/s；年平均日照時(shí)數(shù)在2084～2873 h之間。

擬建電站安裝在堆山斜坡東、南、西側(cè)的4級(jí)環(huán)形坡面，以及堆山頂部平坦區(qū)域，場(chǎng)區(qū)周圍無(wú)高大建筑。工程地點(diǎn)輻射量見(jiàn)表1。

表1 月均太陽(yáng)輻射量表

根據(jù)計(jì)算得到的場(chǎng)址區(qū)域輻射數(shù)據(jù)顯示，項(xiàng)目所在地區(qū)平均年總輻射為4839.47 MJ/m2，根據(jù)《太陽(yáng)能資源評(píng)估方法》(QXT 89-2008)，光伏電站所處地區(qū)屬于“資源豐富區(qū)”。

光伏電站規(guī)劃建設(shè)總?cè)萘繛?2.6 MWp，分期建設(shè)：一期工程開(kāi)發(fā)建設(shè)0.498 MWp，二期工程開(kāi)發(fā)建設(shè)3.128 MWp，三期工程開(kāi)發(fā)建設(shè)8.973 MWp。目前各期均在建設(shè)中。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光伏組件選擇與設(shè)計(jì)

目前并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)常用的光伏組件為多晶硅組件、非晶硅薄膜組件或單晶硅組件?？偘凸こ讨泄夥M件的選擇依據(jù)除了效率、容量等性能參數(shù)外，投資方還需考慮其他的效益問(wèn)題。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)光伏企業(yè)產(chǎn)能大幅提高和歐洲對(duì)華光伏反傾銷政策的出臺(tái)，國(guó)內(nèi)滯銷了大量產(chǎn)品。光伏企業(yè)為了尋求利潤(rùn)最大化，通常選擇自行建設(shè)光伏電站。

本工程為某薄膜組件生產(chǎn)企業(yè)投資，因此選擇140 Wp銅銦鎵硒薄膜光伏組件，經(jīng)計(jì)算，采用28塊光伏組件串聯(lián)為1路。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 140 Wp CIGS光伏電池組件技術(shù)參數(shù)表

2.2 逆變器及箱變的選擇與設(shè)計(jì)

由于堆山斜面的4級(jí)環(huán)形坡面較窄，如果采用集中式逆變器，直流電纜過(guò)長(zhǎng)，將導(dǎo)致電纜截面增加，直流損耗增大；且場(chǎng)地狹窄，無(wú)法布置集中式逆變器，因此本工程擬采用便于安裝且容量較小的組串式逆變器，僅在堆山頂部平坦區(qū)域采用集中式箱型逆變器[7]。

組串式逆變器的最大優(yōu)點(diǎn)是多路MPPT(最大功率點(diǎn)跟蹤)，幾乎每路接入逆變器的組串支路都有獨(dú)立的MPPT控制器，確保每個(gè)支路都能在最佳狀態(tài)工作，不受陰影遮擋及組串間參數(shù)差異的影響，減少了光伏組件最佳點(diǎn)與逆變器不匹配的情況，較集中式逆變器可提高發(fā)電量約6.52%。

本工程采用國(guó)內(nèi)知名廠家生產(chǎn)的15 kW容量逆變器，每個(gè)逆變器供4個(gè)支路接入，集中式逆變器容量為2×500 kW。

光伏陣列經(jīng)12個(gè)1 MVA箱變和1個(gè)0.5 MVA箱變升壓至10 kV后，再經(jīng)1路電纜線路接入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)。

3 支架及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.1 光伏支架及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程光伏陣列及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不同于以往地面光伏。光伏陣列布置于垃圾填埋場(chǎng)，該垃圾填埋場(chǎng)所填埋的垃圾為海淀區(qū)的生活垃圾，垃圾種類復(fù)雜，填埋區(qū)存在較大不均勻沉降，填埋場(chǎng)沉降時(shí)間長(zhǎng)，根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)，最終沉降量能達(dá)到初始填埋高度的 25%～50%[5，6]。

針對(duì)本工程地質(zhì)條件的特殊性，垃圾填埋場(chǎng)的沉降不可避免，因此光伏陣列支架及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)從如何適應(yīng)地基沉降、如何盡量消除地基沉降對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響這些角度進(jìn)行考慮。通過(guò)論證，本工程光伏陣列支架及基礎(chǔ)推薦采用小陣列、多支架、沿垃圾填埋場(chǎng)地平鋪的設(shè)計(jì)方案。

光伏陣列支架布置推薦采用豎向單排布置方式，即1×2塊光伏組件。布置在堆山斜坡的光伏陣列支架結(jié)構(gòu)通過(guò)縱向檁條及基礎(chǔ)預(yù)埋螺栓與基礎(chǔ)相連，沿場(chǎng)地平鋪；布置在堆山頂平臺(tái)的光伏陣列支架結(jié)構(gòu)由縱向檁條、橫向鋼架構(gòu)組成。光伏陣列基礎(chǔ)推薦采用預(yù)制混凝土配重基礎(chǔ)，基礎(chǔ)形狀呈“II”字型，基礎(chǔ)埋深0.1 m，基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度采用C30。光伏陣列支架及基礎(chǔ)布置方式如圖1、圖2所示。

圖1 單組支架光伏組件平面布置圖(單位：mm)

圖2 單組光伏支架基礎(chǔ)圖(單位：mm)

3.2 逆變器及箱變基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程一期、二期采用組串式逆變器，三期采用集裝箱集中式逆變器，分散布置在光伏電站的生產(chǎn)區(qū)內(nèi)；一期共32座，二期共201座，三期共9座；基礎(chǔ)采用素混凝土墩基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深為0.3 m，采用C30素混凝土。

本工程光伏電站1 MW布置1臺(tái)箱式變壓器，箱式變壓器基礎(chǔ)采用素混凝土墩基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深為0.3 m，采用C30素混凝土。

4 發(fā)電量計(jì)算

本工程采用140 W規(guī)格的薄膜光伏組件(1611 mm×665 mm)共89992塊，規(guī)劃裝機(jī)容量約為12.6 MWp；分期建設(shè)，其中，一期0.498 MWp，二期3.128 MWp，三期8.973 MWp。

本項(xiàng)目中，一、二期光伏組件直接鋪設(shè)在堆山斜坡上，目前斜坡坡度按40°考慮，斜面上年平均太陽(yáng)輻射為5514 MJ/m2，由于垃圾填埋場(chǎng)每年會(huì)有沉降，最終沉降后坡度為23°，斜面上年平均太陽(yáng)輻射為5441 MJ/m2；同時(shí)，在垃圾填埋場(chǎng)的西南角區(qū)域內(nèi)(約布置光伏組件5900塊)的光伏組件按照方位角30°考慮，該區(qū)域內(nèi)坡度為40°時(shí)年平均太陽(yáng)輻射為5367 MJ/m2，坡度為23°時(shí)年平均太陽(yáng)輻射為5342 MJ/m2。本項(xiàng)目三期光伏組件按照最佳傾角35°進(jìn)行布置，斜面上年平均太陽(yáng)輻射為5528 MJ/m2，發(fā)電量計(jì)算時(shí)將以此為依據(jù)。

估算光伏系統(tǒng)上網(wǎng)電量，需在理論發(fā)電量的基礎(chǔ)上進(jìn)行折減。

4.1 光伏系統(tǒng)的效率

光伏系統(tǒng)在1000 W/m2太陽(yáng)輻射強(qiáng)度下，實(shí)際直流輸出功率與標(biāo)稱功率間的比值即為光伏系統(tǒng)效率。光伏系統(tǒng)在能量轉(zhuǎn)換與傳輸過(guò)程中的損失包括：

1)組件匹配損失：對(duì)于設(shè)計(jì)優(yōu)化、施工精細(xì)的系統(tǒng)，可考慮3%的損失。

2)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)精度，取值3%。

3)粉塵污染損失：即組件表面塵埃遮擋損失，取值4%。

4)不可利用太陽(yáng)輻射損失：即不可利用的低、弱太陽(yáng)輻射損失，取值3%。

5)溫度損失：溫度影響額定輸出功率，溫度高于標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)額定輸出功率下降，取值3%。

所以，綜合以上各項(xiàng)因素，ηa=97%×97%×96%×97%×97%=85%。

4.2 直流側(cè)輸電效率

直流系統(tǒng)包括直流電纜、匯流箱、直流防雷配電柜、逆變器等。直流系統(tǒng)損失包括直流網(wǎng)絡(luò)損失和逆變器損失。逆變器效率為98.5%，直流網(wǎng)絡(luò)損失約為2.5%，故直流輸電效率ηb=96%。

4.3 交流側(cè)并網(wǎng)效率

即從逆變器交流側(cè)輸出至高壓電網(wǎng)的傳輸效率，主要考慮升壓變壓器的效率及交流電氣連接線路的損耗。本次測(cè)算ηc=98%。

4.4 系統(tǒng)總效率

系統(tǒng)的總效率為上述各部分效率的乘積，即：η=ηaηbηc=85%×96%×98%=80%。

4.5 衰減效率

光伏組件在光照及常規(guī)大氣環(huán)境中使用會(huì)有衰減。本工程組件每年輸出衰減按0.8%計(jì)算，最終得出本工程的25年發(fā)電量，如表3所示。

由表3可知，該光伏電站25年的年均發(fā)電量約為13867.03 MWh，年均等效利用小時(shí)數(shù)為1101 h。

表3 25年光伏電站逐年發(fā)電量統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)垃圾填埋氣發(fā)電項(xiàng)目已很普遍，但光伏發(fā)電系統(tǒng)尚不多見(jiàn)，目前僅有上海老港垃圾填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)有光伏發(fā)電站。本文從工程設(shè)計(jì)的角度介紹了北京六里屯垃圾填埋場(chǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)備選型、基礎(chǔ)防沉降措施等設(shè)計(jì)思路，為今后已封場(chǎng)的垃圾填埋場(chǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)提供了參考。

[1] 李雄， 徐迪民， 趙由才， 等. 生活垃圾填埋場(chǎng)封場(chǎng)后土地利用 [J]. 環(huán)境工程 ， 2006， 24(6)： 64 － 67．

[2] 王渡， 龔淼， 陳德珍. 垃圾填埋場(chǎng)封場(chǎng)后的太陽(yáng)能光伏發(fā)電的應(yīng)用和系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2013， 33(1)： 60－65.

[3] 亢宇， 魯安懷， 周平， 等. 北京市六里屯垃圾填埋場(chǎng)的粘土礦物學(xué)特征及其對(duì)苯的吸附研究[J]. 中國(guó)非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2004， (1)： 34 － 37.

[4] 蘭健， 杭世. 六里屯垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)工程設(shè)計(jì)[J]．給水排水，2003， (3)： 7 － 9.

[5] 胡敏云， 陳云敏. 城市生活垃圾填埋場(chǎng)沉降分析與計(jì)算[J].土木工程學(xué)報(bào) ， 2001， (6)： 90 － 94.

[6] 薛祥， 葛虹， 樂(lè)園， 等. 垃圾填埋場(chǎng)地基沉降計(jì)算分析及相關(guān)問(wèn)題探討 [J]. 工程勘察 ， 2008， (增 2)： 17 － 20.

[7] 閻浩耘. 多組串逆變器在大型并網(wǎng)電站中的應(yīng)用[J]. 企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā) ， 2013， (9)： 32 － 33.