“光伏+土地綜合治理”模式的研究及應(yīng)用

白榮麗

(西安睿諾航空裝備有限公司，西安 710000)

0 引言

土地資源稀缺、土地稅費(fèi)高、土地性質(zhì)限制等因素制約了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，基于此，本文提出了將光伏發(fā)電與采煤沉陷區(qū)、尾礦、排土場(chǎng)及荒漠等相結(jié)合的模式，即“光伏+土地綜合治理”模式。該模式既可以實(shí)現(xiàn)土地的循環(huán)利用，又可以降低光伏發(fā)電的土地成本，同時(shí)還能恢復(fù)廢棄地的生態(tài)環(huán)境，兼顧了生態(tài)效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)了多方共贏，起到了很好的示范帶動(dòng)作用。本文分別針對(duì)“光伏+采煤沉陷區(qū)綜合治理”“光伏+尾礦綜合治理”“光伏+礦渣排土場(chǎng)綜合治理”“光伏+治沙綜合治理”等方式的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 “光伏+采煤沉陷區(qū)綜合治理”方案

光伏電站的開發(fā)建設(shè)過(guò)程是對(duì)場(chǎng)址所在地的土地進(jìn)行平整與綠化的過(guò)程，這是因?yàn)楣夥M件安裝之后，一部分陽(yáng)光無(wú)法直接照射到光伏組件下方的地面，降低了地表溫度，水分蒸發(fā)量減少，有利于營(yíng)造適合植被生長(zhǎng)的土壤條件，恢復(fù)植物群落，重建穩(wěn)定、自維持的生態(tài)系統(tǒng)，保護(hù)生物多樣性，改善場(chǎng)址所在地的生態(tài)環(huán)境和景觀。因此，在采煤沉陷區(qū)建設(shè)光伏電站不僅可以起到對(duì)采煤沉陷區(qū)生態(tài)治理的作用，還可以減少此類地區(qū)環(huán)境治理的工程投資，是實(shí)現(xiàn)采煤沉陷區(qū)生態(tài)治理的新型方案。建設(shè)在采煤沉陷區(qū)的光伏電站如圖1所示。

圖1 建設(shè)在采煤沉陷區(qū)的光伏電站Fig. 1 PV power station built in coal mining subsidence area

1.1 光伏支架設(shè)計(jì)方案

在光伏電站建設(shè)過(guò)程中可適當(dāng)抬高光伏支架的高度，以便于后期種植植被。在光伏支架材料選擇方面，應(yīng)考慮材料自身的質(zhì)量與回收利用價(jià)值，建議采用耐腐蝕性能好、回收利用率高的碳鋼材料，最大限度減小光伏電站建設(shè)對(duì)土壤及自然環(huán)境的二次污染，方便生態(tài)恢復(fù)。

1.2 建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方案

光伏場(chǎng)區(qū)內(nèi)的建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)主要有光伏支架基礎(chǔ)、箱變基礎(chǔ)、逆變器基礎(chǔ)等，升壓站涉及的建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)主要有綜合樓、配電室、主變壓器基礎(chǔ)、無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVG)基礎(chǔ)、空氣絕緣的敞開式開關(guān)設(shè)備(AIS)/氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)基礎(chǔ)、接地變基礎(chǔ)等。由于建(構(gòu))筑物的重量不同，其對(duì)地基基礎(chǔ)的要求也會(huì)不同，需根據(jù)具體地質(zhì)情況進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，采用抵抗變形能力較大的基礎(chǔ)形式。

1.3 電纜敷設(shè)方案

由于電纜直埋會(huì)破壞地表的植被，因此，規(guī)劃電纜采用橋架敷設(shè)方式。電纜橋架按材質(zhì)可分為碳鋼制橋架、玻璃鋼橋架、阻燃型橋架、鋁合金橋架。碳鋼制橋架、玻璃鋼橋架和阻燃型橋架的使用頻率較高；鋁合金橋架因成本較高，通常應(yīng)用在使用量少且要求較高的場(chǎng)所。

電纜橋架按結(jié)構(gòu)形式可分為梯級(jí)式橋架、槽式橋架、托盤式橋架、組合式橋架。梯級(jí)式橋架的規(guī)格尺寸較大，所需電纜截面大且電纜數(shù)量多時(shí)可采用此種橋架結(jié)構(gòu)形式，尤其是敷設(shè)動(dòng)力電纜時(shí)可采用該橋架結(jié)構(gòu)形式；槽式橋架的密封效果較好，敷設(shè)二次電纜時(shí)通常采用此種橋架結(jié)構(gòu)形式；電纜截面小且電纜數(shù)量少的一次電纜敷設(shè)時(shí)常采用托盤式橋架或組合式橋架。

2 “光伏+尾礦綜合治理”方案

在尾礦庫(kù)區(qū)建設(shè)光伏電站能在有效緩解光伏電站用地壓力的同時(shí)，解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境不平衡的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展。建設(shè)在尾礦庫(kù)區(qū)的光伏電站如圖2所示。

圖2 建設(shè)在尾礦庫(kù)區(qū)的光伏電站Fig. 2 PV power station built in tailings pond area

考慮到尾礦庫(kù)區(qū)內(nèi)的地質(zhì)情況復(fù)雜，光伏電站的開關(guān)站或升壓站不宜建設(shè)在尾礦庫(kù)區(qū)內(nèi)，應(yīng)綜合考慮出線方向、道路運(yùn)輸情況、綜合成本等因素，在尾礦庫(kù)區(qū)外選擇適宜的站址[1]。箱變、逆變器等設(shè)備的放置位置也需結(jié)合地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告進(jìn)行綜合考慮，宜選擇地基承載力好、不受雨水沖刷或自然沉降影響的區(qū)域。光伏場(chǎng)區(qū)內(nèi)進(jìn)行光伏陣列的豎向設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格遵循隨坡就勢(shì)的原則，盡量不進(jìn)行大范圍的場(chǎng)平施工，避免破壞原始地貌；利用原有的排水溝做好光伏場(chǎng)區(qū)的排水設(shè)計(jì)，避免水土流失。

3 “光伏+礦渣排土場(chǎng)綜合治理”方案

礦渣排土場(chǎng)普遍存在地形起伏高差較大、植被覆蓋率低、裸露地表?yè)P(yáng)塵大、部分邊坡坡度較大且土壤侵蝕嚴(yán)重等問(wèn)題，在干燥氣候及大風(fēng)作用下極易產(chǎn)生礦塵暴，對(duì)礦渣排土場(chǎng)周邊的環(huán)境造成了污染。將光伏電站建設(shè)與礦渣排土場(chǎng)治理相結(jié)合，能在充分利用礦渣排土場(chǎng)閑置土地資源的同時(shí)，通過(guò)“以光治荒”的方式全力推進(jìn)光伏發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)，構(gòu)建以新能源產(chǎn)業(yè)為支撐、生態(tài)環(huán)境治理與修復(fù)為原則的模式，將生態(tài)保護(hù)與綠色高效能源戰(zhàn)略有機(jī)融合，以達(dá)到良好經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境治理的效果[2]。

針對(duì)礦渣排土場(chǎng)土地的開發(fā)、利用及治理，光伏電站的建設(shè)既可以解決發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排、開發(fā)綠色清潔新能源、實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整面臨的問(wèn)題，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦渣排土場(chǎng)的綜合治理，是綜合治理礦渣排土場(chǎng)的創(chuàng)新性解決方案，對(duì)其他類型排土場(chǎng)的治理具有示范作用。在礦渣排土場(chǎng)建設(shè)的采用柔性支架的光伏電站和在礦渣排土場(chǎng)建設(shè)的采用固定支架的光伏電站分別如圖3、圖4所示。

圖3 在礦渣排土場(chǎng)建設(shè)的采用柔性支架的光伏電站Fig. 3 PV power station built in slag dump using flexible support

圖4 在礦渣排土場(chǎng)建設(shè)的采用固定支架的光伏電站Fig. 4 PV power station built in slag dump with fixed support

通常，大型礦渣排土場(chǎng)完成礦渣排放后，會(huì)形成臺(tái)階式地形，后續(xù)需開展復(fù)墾與治理。對(duì)于采礦后回填區(qū)的排土場(chǎng)地形，在建設(shè)光伏電站時(shí)，若繼續(xù)使用常規(guī)的光伏支架，一方面會(huì)降低土地利用率，無(wú)法滿足光伏電站規(guī)模與經(jīng)濟(jì)性的要求；另一方面也不利于滿足此區(qū)域土地的復(fù)墾要求。針對(duì)礦渣排土場(chǎng)地形的特殊情況，本文應(yīng)用了柔性光伏支架解決了礦渣排土場(chǎng)臺(tái)階式地形帶來(lái)的難題，在提高土地利用率的同時(shí)便于進(jìn)行排土場(chǎng)綠化復(fù)墾，實(shí)現(xiàn)土地的綜合利用。

對(duì)于臺(tái)階式地形，推薦采用柔性光伏支架，并應(yīng)用無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)，通過(guò)對(duì)主鎖施加預(yù)應(yīng)力使光伏支架獲得剛度，通過(guò)穩(wěn)定索和四角錐，使光伏支撐系統(tǒng)可以抵御風(fēng)振。同時(shí)，所有的索系統(tǒng)均采用鍍鋅鋼絞線外加保護(hù)層的方式，以確保其可在高腐蝕環(huán)境中工作。

在光伏組件安裝及維修過(guò)程中，通過(guò)二次張拉有效控制主鎖的擾度，并利用專用的連接件以滑移的方式解決光伏組件安裝與維修，此方式可以減小對(duì)主鎖的振動(dòng)，避免光伏組件出現(xiàn)隱裂。支撐系統(tǒng)的立柱采用輕型立柱，現(xiàn)場(chǎng)組裝不使用吊裝設(shè)備，施工方便，可完美解決臺(tái)階式地形的施工難度，且經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。采用柔性光伏支架的光伏電站如圖5所示。

圖5 采用柔性光伏支架的光伏電站Fig. 5 PV power station with flexible PV support

穩(wěn)定索的使用解決了檢修維護(hù)過(guò)程對(duì)光伏組件支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性、使用壽命及撓度的影響，確保組件不會(huì)出現(xiàn)隱裂。

對(duì)于同樣面積的區(qū)域，采用固定式光伏支架時(shí)布置的光伏組件容量?jī)H為采用柔性支撐系統(tǒng)時(shí)的1/3，而且采用柔性光伏支架時(shí)，支架下方空間較大，利于實(shí)現(xiàn)種植作業(yè)。并且柔性光伏支架的用鋼量少、自重小，造價(jià)成本低，且施工周期短。此外，柔性光伏支架對(duì)地形坡度要求小，預(yù)裝性強(qiáng)，可適用于山地、荒坡、漁塘及林地等大跨度應(yīng)用場(chǎng)景，并且不影響農(nóng)作物的機(jī)械化復(fù)墾和種植及漁塘的養(yǎng)殖。

4 “光伏+治沙綜合治理”方案

光伏治沙項(xiàng)目不僅改變了當(dāng)?shù)氐哪茉唇Y(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，還服務(wù)了當(dāng)?shù)氐哪翗I(yè)發(fā)展，解決了當(dāng)?shù)夭糠洲r(nóng)牧民的就業(yè)問(wèn)題，兼顧了生態(tài)效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)了多方共贏，為光伏發(fā)電技術(shù)在其他荒漠地區(qū)的應(yīng)用起到了很好的示范帶動(dòng)作用?！肮夥?治沙綜合治理”方案應(yīng)用前、后的圖片如圖6、圖7所示。

圖6 “光伏+治沙綜合治理”方案應(yīng)用前Fig. 6 Before the application of“PV + sand control comprehensive management” program

圖7 “光伏+治沙綜合治理”方案應(yīng)用后Fig. 7 After the application of“PV + sand control comprehensive management” program

荒漠地區(qū)的治沙措施包括植物固沙、工程治沙、綜合固沙林防護(hù)及復(fù)合套種模式，其中，植物固沙措施是治理沙漠最有效、成本最低、固沙效果最持久的措施?！肮夥?治沙綜合治理”方案是將上部的光伏發(fā)電技術(shù)與下部的植物固沙相結(jié)合，因光伏組件對(duì)太陽(yáng)光的遮擋，可減少組件下部地表水分蒸發(fā)，同時(shí)降低光伏場(chǎng)區(qū)內(nèi)的風(fēng)速，有利于下部固沙植被的生長(zhǎng)，有效改善生態(tài)環(huán)境，從而達(dá)到荒漠化治理的目的。

5 結(jié)論

本文將光伏電站的建設(shè)與采煤沉陷區(qū)、尾礦、礦渣排土場(chǎng)及荒漠等土地利用有機(jī)結(jié)合，形成“光伏+土地綜合治理”模式，該模式在減少光伏電站土地成本投入的同時(shí)，可達(dá)到生態(tài)環(huán)境改善的效果。此外，當(dāng)采用柔性光伏支架時(shí)，可在光伏組件下方開展以牧草、雜糧、中藥材等為主的農(nóng)作物的種植，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與光伏發(fā)電技術(shù)結(jié)合的綠色發(fā)展模式。