淺析光伏發(fā)電技術在廢棄礦山中的應用

張珍奇

（甘肅能源化工職業(yè)學院，甘肅 蘭州 730207）

由于許多趨同因素，全世界對可再生能源技術的興趣日益增加。這些問題包括與氣候變化公約有關的溫室氣體排放問題，以及對替代能源、能源安全和傳統(tǒng)能源生產技術的環(huán)境安全日益增長的需求。目前，許多研究人員正在開發(fā)可持續(xù)、節(jié)約成本和生態(tài)友好的可再生能源技術，并在各種行業(yè)得到廣泛應用[1，2]。采礦業(yè)也在偏遠地區(qū)(遠離海岸、城市或極地地區(qū)的偏僻內陸地區(qū))以及封閉或廢棄的礦井中引進可再生能源技術。光伏系統(tǒng)已經應用于許多正在運營的礦山，本文對廢棄礦山的光伏系統(tǒng)的規(guī)劃和操作進行了一些研究。

然而，對尾礦壩光伏發(fā)電系統(tǒng)的潛力進行評估的研究很少。尾礦壩是一種土石壩，用于分離礦石中有價值的部分，處理采礦作業(yè)中不經濟的副產品。由于大多數(shù)廢棄礦山都有尾礦壩，如果可以利用尾礦路堤的表面，就有可能安裝和運行光伏系統(tǒng)。在此背景下，本研究分析了一個3MW光伏系統(tǒng)在上東礦山尾礦壩上的應用潛力。利用地理信息系統(tǒng)(GIS)和魚眼鏡頭相機對尾水壩進行了太陽輻射場評估。在設計了一個3mw光伏發(fā)電系統(tǒng)后，利用NREL開發(fā)的系統(tǒng)分析模型(SAM)軟件對系統(tǒng)發(fā)電量及其經濟潛力進行了分析。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)在廢棄礦山中的應用

（1）區(qū)域分析研究。在本文研究的廢棄尾礦區(qū)域，由于金屬價格低廉，于1992年停產，被認為是世界上最大的鎢資源。這座大壩的堤岸包含了大約400萬噸尾礦。

（2）研究方法。在研究過程中進行五個步驟的可行性分析。第一步，結合周圍地形，對3 MW光伏系統(tǒng)的可用面積進行了分析。研究區(qū)域使用ARCGIS(雷德蘭茲ESRI)和我國國家地理信息研究所出版的數(shù)字地形圖以3D表示。根據(jù)地形等高線(等高線間隔5m)，建立了10m網格間距的數(shù)字地面模型高程模型(DEM)。為了保守地評價冬至期間尾礦庫地表的遮蔭效應，利用ARCGIS的DEM和太陽輻射分析工具，對冬至期間地表的日照時數(shù)進行了分析。該工具根據(jù)緯度和海拔計算特定地點的日照時數(shù)。根據(jù)陰影效應分析的結果生成了陰影矩陣。在第三步中，首先分析了3MW光伏系統(tǒng)的光伏組件和逆變器的技術指標、陣列間距和光伏安裝的可用面積，然后對3MW光伏系統(tǒng)進行設計。第四步，利用SAM軟件對新設計的光伏系統(tǒng)所產生的電能進行模擬。SAM模擬光伏發(fā)電的綜合考慮小時氣象數(shù)據(jù)與模塊和逆變器的特點，預測電力生產的小時估計。由現(xiàn)場太陽能評估產生的遮陽矩陣和由氣象廳提供的氣象數(shù)據(jù)被輸入到SAM中。在第五步，評估新設計的光伏系統(tǒng)的經濟可行性，考慮到成本，收入和政策有關的可再生能源在我國。為了近似計算建議的光伏系統(tǒng)的初始成本，使用了國際能源機構(IEA)建議的初始投資成本標準。從這里，1.73元/瓦被用于光伏發(fā)電系統(tǒng)，遵循2015年IEA的趨勢。

本研究利用我國于2012年實施的可再生能源組合標準(RPS)系統(tǒng)來估計發(fā)電所得的收入。這是一個可再生能源供應的強制性制度，在這個制度下，電力交易使用我國能源管理公司頒發(fā)的可再生能源證書(REC)進行。系統(tǒng)邊際電價和REC電價是確定電力銷售所產生的收入數(shù)額的依據(jù)。

2 結果與分析

（1）結果分析。利用ArcGIS中的DEM和太陽輻射分析工具分析了冬至日尾礦壩的日照時數(shù)。最大日照時數(shù)為7.9小時/天，最小日照時數(shù)為6.1小時/天。分析結果表明，尾礦壩周圍地形對太陽能光伏發(fā)電的影響不大，最小為6.1小時，最大為7.9小時。由于我國的日平均日照時數(shù)為5.8小時/天，尾礦壩的整個表面面積為46,335平方米，可用于光伏安裝。結果表明，現(xiàn)場光接收屏障分布在中心點的東西兩側?，F(xiàn)場障礙物主要與周圍地形有關，而與樹木和其他植物無關。結果如圖1所示。

圖1 使用魚眼鏡頭相機(SunEye 210)進行陰影分析的結果

在考慮了光伏組件和逆變器的規(guī)格以及尾礦路堤表面的可用面積后，3MW光伏系統(tǒng)的設計如圖2所示。由于光伏安裝所需面積為32,551平方米，因此研究面積足夠大。光伏陣列相當堅固耐用，能夠抵抗電氣和機械損壞，因此，它們應該連接到一個機械支撐結構上。在這項研究中，PV陣列被設計成安裝在混凝土中的固定鋼桿上，并與地面隔開幾米，以保持空氣流通，從而使它們保持涼爽。圖3顯示了在輸入氣象站點數(shù)據(jù)、陰影矩陣和系統(tǒng)設計參數(shù)到SAM軟件后估計的每月發(fā)電量的變化。尾礦壩光伏發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量可達3509MWh。發(fā)電量會在季節(jié)之間波動(通常在春季和秋季較高，但在冬季較低，因為太陽輻射減少)。

圖2 在研究區(qū)域設計的PV支柱的三維視圖

圖3 研究地區(qū)3MW光伏系統(tǒng)每月發(fā)電量的變化估計

（2）施工設計。土建工程的范圍為光伏電站圍柵內所有土建設施，地面光伏組件采用11×2塊/組串布置，光伏組件固定傾角21°，光伏組件最低點距離地面300mm～500mm。支架采用傳統(tǒng)雙立柱結構型式，支架前后立柱間距約2m，沿組串方向每榀支架間距約3m。每塊組件下設2根縱向鋼次梁沿組串方向通長布置，采用鋁合金壓塊固定組件于鋼次梁，鋼次梁采用螺栓與支架斜橫梁連接，螺栓連接均為絞接。支架應滿足基本風壓0.35kN/m2條件下承載力、穩(wěn)定性及變形的要求。組件支架前后立柱的柱腳采用U型螺栓與基礎頂面連接。

（3）討論。人們普遍認為，采礦對公眾健康和安全以及周圍環(huán)境具有潛在的危害。由于地面沉降和有毒礦物溶解到水和土壤中，鄰近礦區(qū)暴露于許多安全和健康問題之中。在有廢棄礦井的地區(qū)，由于“甜甜圈效應”現(xiàn)象(居民離開受污染地區(qū))而加劇了當?shù)氐慕洕ネ耍斐闪藝乐氐纳鐣栴}，阻礙了這些地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。在許多國家，為了解決這些問題，推出了各種促進政策和項目。為此，我國政府于1995年根據(jù)《廢棄礦區(qū)開發(fā)特別法》選定了7個廢棄礦區(qū)。它通過建設賭場、博物館和高爾夫球場等大型娛樂場所，在廢棄的土地上實施了幾個培育旅游產業(yè)的項目。因此，我國需要新的促進政策和項目來促進廢棄礦山土地的再利用。結果表明，在上東廢棄礦山尾礦壩上安裝3 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)是可行的，為廢棄礦山土地的可持續(xù)發(fā)展提供了一個有效的選擇。

3 結語

習總書記提出“綠水青山就是金山銀山”，現(xiàn)階段，我省大力開展礦山生態(tài)修復探究工作，對礦山區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)修復，促進經濟可持續(xù)發(fā)展，提高人民生活水平獲得感，具有十分重要的意義。我司在治理改造廢棄礦山再利用，把不毛之地打造成為全省的廢棄礦山修復示范點，真正做到了礦山廢棄地的二次利用。在這項研究中，評估了3MW光伏系統(tǒng)安裝在廢棄礦山尾水壩的可行性。光伏系統(tǒng)的設計考慮到光伏組件和逆變器之間的電壓關系，以及光伏陣列的間距，經過太陽能地理信息系統(tǒng)和魚眼鏡頭相機的太陽能評估。光伏系統(tǒng)每年可產生的電量估計為3509MW/年。此外，經濟可行性分析的結果表明，通過確定一個為期20年的項目周期，凈現(xiàn)值將為1,903,000元。投資回收期(資本收回)計算為11.5年，內部收益率為9.8%。因此，建議在廢棄尾礦壩上安裝3 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)，作為該廢棄礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的有效選擇。

在環(huán)境方面，通過對礦山尾礦污染場地的再開發(fā)，可以促進廢棄礦區(qū)的環(huán)境恢復工程。此外，與利用可再生能源的系統(tǒng)的設計、建造和操作相關的新的商業(yè)模式和工作崗位的創(chuàng)造應該刺激地方經濟的增長。由于這些原因，采礦業(yè)使用可再生能源技術，包括光伏系統(tǒng)，預計將繼續(xù)為廢棄礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供動力。