某廢棄露天礦坑光伏發(fā)電效率實(shí)驗(yàn)*

孫延超 馬姣陽(yáng) 武澤倩 張嘉豪 劉佳美

（1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.華北理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；3.華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院）

根據(jù)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2018年，我國(guó)共有各類(lèi)廢棄礦山約99 000 座，其中，露天開(kāi)采的廢棄礦山共80 600座，且數(shù)量呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)［1］。廢棄露天坑會(huì)造成諸多生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，如地貌景觀破壞、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)以及土地資源占用等［2］。如何有效治理廢棄露天坑成為亟待解決的問(wèn)題。

國(guó)外主要采用工程綠化、植物盆、液壓噴播等技術(shù)進(jìn)行露天礦生態(tài)修復(fù)，同時(shí)出臺(tái)相關(guān)法律進(jìn)行管控。近年來(lái)，隨著我國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提升，廢棄露天坑的生態(tài)修復(fù)問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注。胡偉［3］總結(jié)了現(xiàn)階段廢棄礦山土地利用過(guò)程中出現(xiàn)的主要問(wèn)題，為加快廢棄礦山土地開(kāi)發(fā)利用速度而提出一些切實(shí)可行的措施與建議。孫曉玲等［4］提出了自然恢復(fù)、人工修復(fù)以及兩者相結(jié)合的3種廢棄礦山生態(tài)修復(fù)模式，并分析了不同模式的適應(yīng)性。

在“雙碳”目標(biāo)的加持下，諸多學(xué)者針對(duì)廢棄露天坑的有效治理做了進(jìn)一步研究。田占良［5］探究了碳中和視角下露天廢棄礦山生態(tài)修復(fù)的價(jià)值，分析了當(dāng)下露天廢棄礦山修復(fù)中存在的問(wèn)題，提出了碳中和視角下露天廢棄礦山生態(tài)修復(fù)技術(shù)的優(yōu)化策略。在廢棄露天坑上建立光伏發(fā)電系統(tǒng)方面，李昊等［6］分析了“雙碳”背景下進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)的可能性；郭經(jīng)州［7］闡述了在廢棄礦山中建設(shè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電站的設(shè)想；張珍奇［8］通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了在廢棄礦山安裝3MW光伏發(fā)電系統(tǒng)是可行的。關(guān)于光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究，程禹年［9］運(yùn)用價(jià)值工程原理和科學(xué)統(tǒng)籌方法，結(jié)合實(shí)際特殊地形條件，成功完成了高邊坡上安裝光伏發(fā)電項(xiàng)目；李美成等［10］針對(duì)當(dāng)前實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的新形勢(shì)，梳理了我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與太陽(yáng)能利用技術(shù)發(fā)展過(guò)程中面臨的主要挑戰(zhàn)，對(duì)太陽(yáng)能利用技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。將廢棄露天礦的治理與光伏發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，不但可以高效利用廢棄露天坑的土地資源，并且比生態(tài)修復(fù)和旅游開(kāi)發(fā)等方式產(chǎn)生效益時(shí)間短，可以作為一種新型的廢棄露天坑治理方式。然而，鮮有研究廢棄露天坑的太陽(yáng)能電池板安置方式與光伏發(fā)電率的關(guān)系，為此，以某廢棄露天坑為工程背景，通過(guò)相似模型模擬的研究方式，探尋適用于廢棄露天坑的安裝要點(diǎn)，以提高光伏產(chǎn)電率。

1 試驗(yàn)方案

1.1 物理模型構(gòu)建

河北省某露天鐵礦已閉坑多年，礦坑最大直徑約為300 m，臺(tái)階高度為15 m，運(yùn)輸線(xiàn)路為各開(kāi)采水平出入溝通往卸礦點(diǎn)與排土場(chǎng)相連接的公路。在此基礎(chǔ)上，以1∶75的相似比例建立物理模型，該物理模型位于河北省唐山市華北理工大學(xué)D區(qū)的一處空地，最大直徑為4 m，包含4 層臺(tái)階，每層臺(tái)階高度為0.2 m。鑒于實(shí)際礦山底部臺(tái)階會(huì)受雨雪侵蝕，故本次實(shí)驗(yàn)不考慮底層臺(tái)階（圖1）。

1.2 試驗(yàn)儀器

物理模型建成后，選用7臺(tái)太陽(yáng)能式充電寶進(jìn)行試驗(yàn)，如圖2 所示，其中，太陽(yáng)能電池板的尺寸為220 mm×180 mm，蓄電池的額定容量為4 400 mAh。太陽(yáng)能電池板在工作時(shí)，將其插頭插入SOLARIN 插口，置于陽(yáng)光下，太陽(yáng)能電池板就可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池中。為獲取蓄電值，通過(guò)蓄電池給一臺(tái)額定電池容量為4 200 mAh 的手機(jī)進(jìn)行充電，直至蓄電池電量耗盡，以手機(jī)充電量的百分比作為太陽(yáng)能電池板產(chǎn)電量的表征。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容及步驟

為確定太陽(yáng)能電池板的擺放方案要點(diǎn)，本試驗(yàn)研究目標(biāo)主要包括：太陽(yáng)能電池板的最佳放置方式，集中產(chǎn)電時(shí)間，產(chǎn)電率最優(yōu)時(shí)的臺(tái)階層數(shù)，產(chǎn)電效率最優(yōu)時(shí)的擺放角度。

在進(jìn)行試驗(yàn)之前，選定了每日都能接收到光照的區(qū)域面積作為太陽(yáng)能電池板初步擺放區(qū)域，此區(qū)域受光照輻射多，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)更具代表性。在露天坑外選定一個(gè)固定位置與方位，選定8∶00和17∶00 2 個(gè)時(shí)刻，由同一名實(shí)驗(yàn)員在同一高度進(jìn)行拍照，圈定光照區(qū)域。

圖3 為8∶00 露天坑照射區(qū)，由圖中線(xiàn)條分割區(qū)域可以清晰地分辨出太陽(yáng)光照區(qū)域和陰面區(qū)域。得到8∶00 的陰面區(qū)域位于北偏東29°至東偏南55°之間，同理得到17∶00 的陰面區(qū)域位于東偏南50°至西偏北15°之間。

將太陽(yáng)能電池板放于各層臺(tái)階一天中的陽(yáng)面照射區(qū)域，其擺放位置如圖4所示。

對(duì)比試驗(yàn)包括太陽(yáng)能電池板擺放方式與最佳位置、產(chǎn)電集中時(shí)間、各層臺(tái)階的產(chǎn)電量、太陽(yáng)能電池板傾斜角度。試驗(yàn)采集了10 月13 日—12 月1 日和3月份的數(shù)據(jù)，其中陰天、雨雪天會(huì)造成產(chǎn)電量極低、太陽(yáng)能電池板和蓄電池?fù)p耗等現(xiàn)象，故不進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 太陽(yáng)能板擺放方式、最佳位置對(duì)比分析

為探究太陽(yáng)能電池板水平、傾斜放置對(duì)產(chǎn)電率的影響，對(duì)水平和傾斜放置（約為45°）進(jìn)行對(duì)比分析。共進(jìn)行10 組試驗(yàn)，其中全天（測(cè)試時(shí)間9∶00—16∶00）水平放置試驗(yàn)5 組，全天傾斜放置試驗(yàn)5 組。10 月份的水平放置和傾斜放置的各設(shè)備全天測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5和圖6所示。

可見(jiàn)，太陽(yáng)能電池板產(chǎn)電率隨著天氣狀況變化而變化，天氣狀況逐漸良好，由陰天轉(zhuǎn)為晴天，產(chǎn)電率就會(huì)提高，反之，產(chǎn)電率下降。因此，如果天氣狀況相同的條件下，傾斜放置太陽(yáng)能電池板的產(chǎn)電效率優(yōu)于水平放置太陽(yáng)能電池板；對(duì)于同一天，無(wú)論天氣狀況如何及太陽(yáng)能電池板如何放置，位于第三層臺(tái)階北偏東47°～57°的6 號(hào)設(shè)備產(chǎn)電量明顯高于其他設(shè)備，因此，第三層臺(tái)階的此位置是放置太陽(yáng)能電池板的最佳位置。而7號(hào)設(shè)備的產(chǎn)電量低于其他設(shè)備，這表明了受空氣稀薄度、大氣透明度的影響，廢棄露天坑中等靠下層臺(tái)階受太陽(yáng)輻射能量相對(duì)較小，不適合安裝太陽(yáng)能電池板。其中，水平放置情況下，6號(hào)設(shè)備所在的第三層臺(tái)階位置與其他層臺(tái)階位置的電量差值為1%～22%；傾斜放置情況下，6號(hào)設(shè)備所在的第三層臺(tái)階位置與其他層臺(tái)階位置的電量差值為5%～13%。將太陽(yáng)能電池板傾斜放置比水平放置產(chǎn)電量高達(dá)40%左右。

2.2 太陽(yáng)能板產(chǎn)電集中時(shí)間段分析

為了探究太陽(yáng)能電池板在一天之中各個(gè)時(shí)間段的產(chǎn)電量，進(jìn)一步開(kāi)展了12 組實(shí)驗(yàn)，其中上午（測(cè)試時(shí)間8∶40—12∶40）傾斜放置試驗(yàn)5 組，中午（測(cè)試時(shí)間10∶00—14∶00）傾斜放置試驗(yàn)4 組，下午（測(cè)試時(shí)間12∶00—16∶00）傾斜放置試驗(yàn)3組。

通過(guò)不同天氣各種時(shí)間段產(chǎn)電量的最低值與最大值，形成一個(gè)產(chǎn)電量區(qū)間，來(lái)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試的3 個(gè)時(shí)間段產(chǎn)電量的大小，產(chǎn)電量通過(guò)對(duì)4 200 mAh 手機(jī)的充電量來(lái)表征，結(jié)果如表1所示。

通過(guò)表1可以發(fā)現(xiàn)，全天產(chǎn)電量的時(shí)間主要集中于中午時(shí)段，中午的太陽(yáng)光照強(qiáng)度大，且中午的太陽(yáng)直射光線(xiàn)與太陽(yáng)能電池板平面形成的夾角更接近于直角，所以中午太陽(yáng)能電池板的產(chǎn)電量較高。

2.3 各層臺(tái)階產(chǎn)電率分析

為了探究太陽(yáng)能電池板在各層臺(tái)階產(chǎn)電率，且由于上層臺(tái)階全天光照區(qū)域較大，可安裝的儀器數(shù)量較多，在第一層臺(tái)階安裝3 臺(tái)設(shè)備，第二層臺(tái)階安裝2 臺(tái)設(shè)備，第三層臺(tái)階安裝1 臺(tái)設(shè)備，以各層臺(tái)階單臺(tái)設(shè)備的產(chǎn)電量表征各層臺(tái)階的產(chǎn)電量。經(jīng)計(jì)算得到各種天氣情況下的各層臺(tái)階的單臺(tái)設(shè)備平均產(chǎn)電量，如圖7所示。

第一層和第三層臺(tái)階的太陽(yáng)能電池板產(chǎn)電量較高；第二層臺(tái)階受第一層臺(tái)階的陰影影響，所以產(chǎn)電量相較于第一層臺(tái)階來(lái)說(shuō)較低，但兩者差值不大，第三層臺(tái)階可能因?yàn)榕c太陽(yáng)光線(xiàn)直射形成的角度更加接近90°，所以產(chǎn)電量高于第一層臺(tái)階，第四層臺(tái)階位于底層，所受陰影區(qū)域較多，所以產(chǎn)電量較低。

2.4 不同傾斜角度產(chǎn)電量分析

為了探究太陽(yáng)能電池板傾斜角度對(duì)其產(chǎn)電量的影響，在3月份繼續(xù)以同樣的方式進(jìn)行試驗(yàn)。將太陽(yáng)能電池板在廢棄露天坑臺(tái)階上分別傾斜0°、15°、30°、45°、60°，進(jìn)行5組試驗(yàn)。收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8所示。

通過(guò)圖8 可知，太陽(yáng)能電池板傾斜角度從0°～30°，圖線(xiàn)的斜率較小，表明其產(chǎn)電量緩慢增加；在30°～45°時(shí)，圖線(xiàn)的斜率較大，表明其產(chǎn)電率迅速增加；超過(guò)45°后，圖線(xiàn)的斜率為負(fù)值，且圖線(xiàn)斜率的絕對(duì)值較大，表明其產(chǎn)電量迅速下降。由此可知，在0°、15°、30°、45°、60°這5 個(gè)角度中，45°是使太陽(yáng)能電池板產(chǎn)電率最高的擺放角度。

3 結(jié)論

（1）以太陽(yáng)能電池板和蓄電池構(gòu)建小型的太陽(yáng)能發(fā)電模型，一天之中，中午時(shí)段（10∶00—14∶00）太陽(yáng)能電池板產(chǎn)電效率較高，占全天產(chǎn)電量的50%以上。太陽(yáng)能電池板傾斜45°左右，光伏產(chǎn)電率最高，高于水平放置40%左右。

（2）根據(jù)四季光照情況，建議在廢棄露天礦山的全年光強(qiáng)區(qū)集中安裝太陽(yáng)能電池板，光弱區(qū)少安裝太陽(yáng)能電池板。

（3）綜合考慮本試驗(yàn)中下層臺(tái)階安裝太陽(yáng)能電池板產(chǎn)電量不高的情況和汛期安全狀況，建議考慮以廢棄露天礦山的歷年降水量最高的位置作為警戒線(xiàn)，太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備安裝于警戒線(xiàn)以上。