漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)在采煤塌陷區(qū)的應(yīng)用

梁甜，吳繼亮，糜文杰，周敏

（中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，長(zhǎng)沙410014）

1 引言

煤炭資源開(kāi)采猶如一把雙刃劍，在適應(yīng)國(guó)家能源需求的同時(shí)，造成礦區(qū)內(nèi)大量土地塌陷。在采煤塌陷水域開(kāi)發(fā)光伏發(fā)電站，具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，不僅可以有效利用采煤塌陷區(qū)閑置廢棄水域資源、解除光伏項(xiàng)目開(kāi)發(fā)土地因素的束縛，拓寬光伏發(fā)電的應(yīng)用，同時(shí)，還可以提高發(fā)電量、保護(hù)水資源、節(jié)約煤炭資源、改善塌陷區(qū)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)綜合效益最大化。然而，采煤塌陷區(qū)地形地貌、水文地質(zhì)情況復(fù)雜，給光伏發(fā)電項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了新的問(wèn)題。本文結(jié)合采煤塌陷區(qū)水域的特點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度分析了漂浮式光伏電站在采煤塌陷區(qū)水域應(yīng)用的可行性及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為采煤塌陷水域漂浮式光伏電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。

2 漂浮式光伏電站概述

水上漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)是指在水塘、小型湖泊、水庫(kù)、堰塞湖等水域環(huán)境建設(shè)的光伏電站，以解決地面光伏發(fā)電用地緊張的問(wèn)題，該技術(shù)在國(guó)外發(fā)展較早，據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，目前，日本、印度、韓國(guó)、新加坡、英國(guó)、美國(guó)、挪威、巴西、澳大利亞等國(guó)家均發(fā)展了水上漂浮式光伏電站。相較日本、英國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家已經(jīng)陸續(xù)有漂浮式光伏電站落戶。我國(guó)起步較晚，2016 年才開(kāi)始大規(guī)模興起，項(xiàng)目可借鑒經(jīng)驗(yàn)少。與傳統(tǒng)地面光伏電站相比，水上漂浮式光伏電站具有節(jié)約用地、提高系統(tǒng)發(fā)電效率、運(yùn)營(yíng)維護(hù)方便、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[2]。

3 漂浮式光伏電站在采煤塌陷區(qū)水域的應(yīng)用

3.1 采煤塌陷區(qū)水域特殊性分析

所謂采煤塌陷區(qū)，是指當(dāng)煤炭資源開(kāi)采后，采空區(qū)域的上部巖土層原始應(yīng)力平衡受到破壞而發(fā)生的斷裂、彎曲、冒落等移動(dòng)后升至地表，在采空區(qū)上方形成的下沉盆地。當(dāng)下沉區(qū)域地下水位較高時(shí)，極易形成常年積水區(qū)域，與常規(guī)水塘、小型湖泊、水庫(kù)相比，采煤塌陷區(qū)水域具有更為復(fù)雜的環(huán)境。首先，采煤塌陷形成的水域，其水下地形地貌、工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜，受原始地形地貌、地下巖層分布、開(kāi)采方式、開(kāi)采范圍、開(kāi)采時(shí)間等因素影響，塌陷形成的水域，其地形及地質(zhì)條件發(fā)生的變化難以預(yù)測(cè)，且塌陷形成是由巖體力學(xué)平衡破壞引起的，具有持續(xù)性，導(dǎo)致水下地形及地質(zhì)條件處于長(zhǎng)期變化狀態(tài)，通常，塌陷基本穩(wěn)定需要超過(guò)5a 時(shí)間；其次，塌陷具有復(fù)活性，隨著時(shí)間推移，塌陷趨于基本穩(wěn)定，但一旦受到外力影響和擾動(dòng)后，如地震、暴雨、復(fù)采等，采空區(qū)將再次被激活，再次形成災(zāi)害。

由此可見(jiàn)，與常規(guī)水塘、小型湖泊、水庫(kù)上的漂浮式光伏電站相比，在采煤塌陷區(qū)水域開(kāi)發(fā)漂浮式光伏電站，不僅要通過(guò)荷載組合計(jì)算自重、風(fēng)、雪、波浪、覆冰等[3]荷載作用下漂浮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和錨固基礎(chǔ)的承載能力及穩(wěn)定性，還需要考慮地基土塌陷這一特殊因素對(duì)漂浮系統(tǒng)所產(chǎn)生的特殊影響。

3.2 漂浮式光伏電站漂浮系統(tǒng)選型分析

水上光伏電站包括固定式和漂浮式2 類，其中，固定式與傳統(tǒng)地面光伏電站類似，即光伏組件安裝于光伏支架上，支架安裝于固定式基礎(chǔ)上，如樁基礎(chǔ)；漂浮式光伏電站一般用于水深較深的區(qū)域。目前，常用的漂浮式光伏電站漂浮系統(tǒng)，按形式分為2 類：浮體+支架；一體化浮筒。

1）浮體+支架（見(jiàn)圖1）：采用浮體與金屬支架構(gòu)成的水面漂浮系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的浮體，將光伏組件安裝于支架上，支架固定于浮體上，浮體漂浮于水面上。主要包括浮體、固定支架、浮動(dòng)平臺(tái)系泊系統(tǒng)等。該結(jié)構(gòu)可按最佳傾角進(jìn)行布置，發(fā)電量得到提高，但系統(tǒng)受風(fēng)荷載作用較大，上部支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮波浪荷載，支架及浮體用鋼量大。

2）一體化浮筒（見(jiàn)圖2）：通過(guò)設(shè)計(jì)合理的浮體，將光伏組件用螺栓直接安裝于浮體上，浮體漂浮于水上，主要包括組件浮體、過(guò)道浮體和漂浮平臺(tái)系泊系統(tǒng)等。該系統(tǒng)組件支撐系統(tǒng)與浮體系統(tǒng)是同一系統(tǒng)，根據(jù)組件傾角制作成相應(yīng)的角度，無(wú)須設(shè)計(jì)鋼支架，減輕了平臺(tái)重量，但該系統(tǒng)連接耳環(huán)需要經(jīng)過(guò)詳細(xì)的內(nèi)力計(jì)算和力學(xué)試驗(yàn)，若不滿足受力要求，需要進(jìn)行局部節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)。

綜上，一體化浮筒結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，安裝、維護(hù)便捷，同時(shí)，基于漂浮碼頭的經(jīng)驗(yàn)和行業(yè)的發(fā)展，其質(zhì)量和產(chǎn)能得到了較大提升，造價(jià)下降明顯，目前，越來(lái)越得到行業(yè)內(nèi)認(rèn)可，已大量運(yùn)用于水面漂浮式光伏電站。

圖1 浮體+支架示意圖

圖2 一體化浮筒示意圖

3.3 漂浮式光伏電站在采煤塌陷水域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

光伏發(fā)電站建構(gòu)筑物的正確設(shè)計(jì)與否，直接影響光伏電站安全與經(jīng)濟(jì)性效益，而光伏組件的支撐構(gòu)件更是重中之重。如前文所述，采煤塌陷區(qū)水域具有水下地形復(fù)雜、塌陷易復(fù)活等特點(diǎn)，因此，在采煤塌陷區(qū)水域開(kāi)發(fā)光伏項(xiàng)目具有其特殊性。受塌陷的影響，水面固定式支架在塌陷區(qū)的使用存在較多問(wèn)題，相較于固定支架式而言，漂浮式光伏電站在采煤塌陷區(qū)水域運(yùn)用具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本節(jié)結(jié)合濟(jì)寧市微山縣塌陷區(qū)某光伏基地項(xiàng)目，對(duì)固定支架式和漂浮式光伏電站進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。由表1 可知，固定支架式雖在經(jīng)濟(jì)性方面稍有優(yōu)勢(shì)，但在安全性、便捷性和環(huán)保性方面較漂浮式缺陷明顯。

表1 不同型式支撐系統(tǒng)分析

3.4 采煤塌陷水域漂浮式光伏電站設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

由前述可見(jiàn)，漂浮式光伏電站在采煤塌陷區(qū)水域具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但由于塌陷區(qū)水域具有其特殊性，在進(jìn)行漂浮式系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除應(yīng)考慮常規(guī)水域漂浮式電站設(shè)計(jì)所考慮的因素外，還應(yīng)考慮地層塌陷、洪水位等因素對(duì)系泊系統(tǒng)、平臺(tái)布置的影響。

3.4.1 系泊系統(tǒng)錨鏈長(zhǎng)度

常規(guī)水域漂浮式光伏電站系泊系統(tǒng)錨鏈長(zhǎng)度設(shè)置僅考慮水位變化范圍，滿足漂浮平臺(tái)能夠適應(yīng)高水位與低水位之間的變化幅度即可，但塌陷區(qū)水域還需考慮塌陷對(duì)錨鏈長(zhǎng)度的影響。當(dāng)按正常情況考慮時(shí)，地層塌陷后，將出現(xiàn)高水位情況下漂浮平臺(tái)不能滿足浮動(dòng)空間的情況（見(jiàn)圖3），假定：（1）地層塌陷前設(shè)計(jì)最高水位情況下，設(shè)計(jì)拋錨距離為X，錨鏈頂端與最高水位間高差為H1，錨鏈頂端與最低水位間高差為H3，錨鏈需要長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，方陣單側(cè)可活動(dòng)位移為Y1；（2）地層塌陷距離為H2，地層塌陷不影響設(shè)計(jì)拋錨距離X，錨鏈需要長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，地層塌陷后方陣單側(cè)可活動(dòng)位移為Y2，則根據(jù)三角幾何關(guān)系可得：

根據(jù)上述表達(dá)式可知，L2＞L1，即在采煤塌陷區(qū)水域設(shè)計(jì)錨鏈未考慮塌陷的影響時(shí)，將導(dǎo)致塌陷后高水位時(shí)系泊系統(tǒng)被破壞或者漂浮平臺(tái)被破壞，造成嚴(yán)重的安全性問(wèn)題。

3.4.2 平臺(tái)布置間距

如前文所述，當(dāng)僅考慮常規(guī)情況時(shí)，漂浮方陣的水平位移為2Y1，當(dāng)考慮地層塌陷時(shí)，漂浮方陣的水平位移為2Y2。由圖3 可知，Y2＞Y1，即漂浮平臺(tái)具有更大的水平位移空間。因此，在采煤塌陷區(qū)水域布置漂浮平臺(tái)時(shí)，應(yīng)充分考慮地層塌陷所要求的額外空間，以避免漂浮平臺(tái)與其他設(shè)備平臺(tái)發(fā)生碰撞，造成設(shè)備損壞及安全問(wèn)題。

圖3 錨鏈長(zhǎng)度計(jì)算示意

3.4.3 塌陷分析

鑒于采煤塌陷區(qū)水域具有其特殊的復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)前，需要獲取詳細(xì)的場(chǎng)址塌陷穩(wěn)定性分析報(bào)告，并進(jìn)行詳細(xì)分析，以進(jìn)行合理判斷并開(kāi)展布置。此外，由于采煤塌陷區(qū)具有復(fù)活性，需要詳細(xì)調(diào)查場(chǎng)址區(qū)域開(kāi)采規(guī)劃，及時(shí)了解煤礦開(kāi)采動(dòng)向并進(jìn)行塌陷預(yù)測(cè)分析，依據(jù)塌陷分析情況，對(duì)預(yù)測(cè)塌陷較為嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)檢查，同時(shí)，對(duì)基礎(chǔ)的標(biāo)高、垂直度等參數(shù)進(jìn)行定期復(fù)核。

3.4.4 安全監(jiān)測(cè)

由于地層塌陷為不可控因素且對(duì)系泊系統(tǒng)基礎(chǔ)穩(wěn)定性及安全性影響極大，在系泊系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如錨固樁頂部、錨固樁與水底泥面交界處。同時(shí)，施工過(guò)程中嚴(yán)格控制每一個(gè)錨樁基礎(chǔ)的埋置深度、基礎(chǔ)頂標(biāo)高及垂直度等，并做好記錄，當(dāng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)錨鏈、錨樁下沉深度或傾斜程度超過(guò)設(shè)計(jì)允許值時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取相關(guān)措施。

4 結(jié)語(yǔ)

在采煤塌陷區(qū)水域開(kāi)發(fā)漂浮式光伏電站具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可有效利用采煤塌陷區(qū)水域、避免塌陷對(duì)組件支撐系統(tǒng)產(chǎn)生直接破壞，同時(shí)，能夠改善塌陷區(qū)水域生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)綜合效益最大化。但采煤塌陷區(qū)水域地形地貌、工程地質(zhì)情況復(fù)雜，在進(jìn)行漂浮式光伏電站設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮地層塌陷穩(wěn)定性、洪水位及地層情況等因素的影響，在充分分析場(chǎng)址特殊條件的情況下，選擇合適的場(chǎng)址方陣布置形式及系泊系統(tǒng)錨鏈長(zhǎng)度，同時(shí)，應(yīng)針對(duì)塌陷區(qū)特殊條件設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，確保項(xiàng)目長(zhǎng)期運(yùn)行的安全可靠性。