淺析光伏發電技術在廢棄礦山中的應用

張珍奇

（甘肅能源化工職業學院，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、能源安全和傳統能源生產技術的環境安全日益增長的需求。目前，許多研究人員正在開發可持續、節約成本和生態友好的可再生能源技術，并在各種行業得到廣泛應用[1，2]。采礦業也在偏遠地區(遠離海岸、城市或極地地區的偏僻內陸地區)以及封閉或廢棄的礦井中引進可再生能源技術。光伏系統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的規劃和操作進行了一些研究。

然而，對尾礦壩光伏發電系統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，處理采礦作業中不經濟的副產品。由于大多數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。在此背景下，本研究分析了一個3MW光伏系統在上東礦山尾礦壩上的應用潛力。利用地理信息系統(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光伏發電系統后，利用NREL開發的系統分析模型(SAM)軟件對系統發電量及其經濟潛力進行了分析。

1 光伏發電系統在廢棄礦山中的應用

（1）區域分析研究。在本文研究的廢棄尾礦區域，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光伏系統的可用面積進行了分析。研究區域使用ARCGIS(雷德蘭茲ESRI)和我國國家地理信息研究所出版的數字地形圖以3D表示。根據地形等高線(等高線間隔5m)，建立了10m網格間距的數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進行了分析。該工具根據緯度和海拔計算特定地點的日照時數。根據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光伏系統進行設計。第四步，利用SAM軟件對新設計的光伏系統所產生的電能進行模擬。SAM模擬光伏發電的綜合考慮小時氣象數據與模塊和逆變器的特點，預測電力生產的小時估計。由現場太陽能評估產生的遮陽矩陣和由氣象廳提供的氣象數據被輸入到SAM中。在第五步，評估新設計的光伏系統的經濟可行性，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/瓦被用于光伏發電系統，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)系統來估計發電所得的收入。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的可再生能源證書(REC)進行。系統邊際電價和REC電價是確定電力銷售所產生的收入數額的依據。

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。最大日照時數為7.9小時/天，最小日照時數為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，現場光接收屏障分布在中心點的東西兩側。現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格以及尾礦路堤表面的可用面積后，3MW光伏系統的設計如圖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據、陰影矩陣和系統設計參數到SAM軟件后估計的每月發電量的變化。尾礦壩光伏發電系統年發電量可達3509MWh。發電量會在季節之間波動(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 在研究區域設計的PV支柱的三維視圖

圖3 研究地區3MW光伏系統每月發電量的變化估計

（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，鄰近礦區暴露于許多安全和健康問題之中。在有廢棄礦井的地區，由于“甜甜圈效應”現象(居民離開受污染地區)而加劇了當地的經濟衰退，造成了嚴重的社會問題，阻礙了這些地區的可持續發展。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《廢棄礦區開發特別法》選定了7個廢棄礦區。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光伏發電系統是可行的，為廢棄礦山土地的可持續發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”，現階段，我省大力開展礦山生態修復探究工作，對礦山區域生態系統修復，促進經濟可持續發展，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光伏系統安裝在廢棄礦山尾水壩的可行性。光伏系統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和魚眼鏡頭相機的太陽能評估。光伏系統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光伏發電系統，作為該廢棄礦區可持續發展的有效選擇。

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