已封場的垃圾填埋場光伏發電系統設計

中國華電工程(集團)有限公司 華電工程設計院 ■ 楊光磊

0 引言

隨著我國城鎮化水平不斷提高，城鎮規模、數量持續增長，日常垃圾、建筑垃圾也在與日俱增。據統計，全國每年產生垃圾約為2.5億t，并以每年8%的速度增長，垃圾填埋處理及填埋場封場后的開發利用已成為制約城市發展的一個重要環節。將封場后的垃圾填埋場建設為光伏發電站，不僅利用了填埋場地，而且創造了經濟價值，是目前國內外資源再生利用的一個主要趨勢[1，2]。

本文以北京市六里屯垃圾填埋場為例，介紹了垃圾填埋場光伏電站的設計方案，并進行基礎方案及設備選型論證，為今后的垃圾填埋場光伏電站設計提供了參考。

1 工程概況

北京市海淀區六里屯垃圾填埋場位于北京市海淀區永豐鄉，占地面積達465300 m2，填埋區占地面積約為345300 m2，是北京較大的現代化垃圾填埋場，也是海淀區唯一的無害化垃圾填埋設施[3，4]。

垃圾填埋場地面以下埋深為25 m，地面以上設計填埋高度為20 m。采用2 mm厚高密度聚乙烯( HDPE) 膜與700 mm厚粘土層復合作為滲濾液防滲層。填埋場沉降時間長，最終沉降量能達到初始填埋高度的25%～50%[5，6]。

工程地處大陸性季風氣候區域，年平均氣溫為11.8 ℃；年平均降雨量為550 mm；春、冬兩季風向為西北風，風沙較大，多年平均風速為2.6 m/s；年平均日照時數在2084～2873 h之間。

擬建電站安裝在堆山斜坡東、南、西側的4級環形坡面，以及堆山頂部平坦區域，場區周圍無高大建筑。工程地點輻射量見表1。

表1 月均太陽輻射量表

根據計算得到的場址區域輻射數據顯示，項目所在地區平均年總輻射為4839.47 MJ/m2，根據《太陽能資源評估方法》(QXT 89-2008)，光伏電站所處地區屬于“資源豐富區”。

光伏電站規劃建設總容量為12.6 MWp，分期建設：一期工程開發建設0.498 MWp，二期工程開發建設3.128 MWp，三期工程開發建設8.973 MWp。目前各期均在建設中。

2 光伏發電系統設計

2.1 光伏組件選擇與設計

目前并網型光伏系統常用的光伏組件為多晶硅組件、非晶硅薄膜組件或單晶硅組件。總包型工程中光伏組件的選擇依據除了效率、容量等性能參數外，投資方還需考慮其他的效益問題。近年來，隨著國內光伏企業產能大幅提高和歐洲對華光伏反傾銷政策的出臺，國內滯銷了大量產品。光伏企業為了尋求利潤最大化，通常選擇自行建設光伏電站。

本工程為某薄膜組件生產企業投資，因此選擇140 Wp銅銦鎵硒薄膜光伏組件，經計算，采用28塊光伏組件串聯為1路。標準測試條件下參數見表2。

表2 140 Wp CIGS光伏電池組件技術參數表

2.2 逆變器及箱變的選擇與設計

由于堆山斜面的4級環形坡面較窄，如果采用集中式逆變器，直流電纜過長，將導致電纜截面增加，直流損耗增大；且場地狹窄，無法布置集中式逆變器，因此本工程擬采用便于安裝且容量較小的組串式逆變器，僅在堆山頂部平坦區域采用集中式箱型逆變器[7]。

組串式逆變器的最大優點是多路MPPT(最大功率點跟蹤)，幾乎每路接入逆變器的組串支路都有獨立的MPPT控制器，確保每個支路都能在最佳狀態工作，不受陰影遮擋及組串間參數差異的影響，減少了光伏組件最佳點與逆變器不匹配的情況，較集中式逆變器可提高發電量約6.52%。

本工程采用國內知名廠家生產的15 kW容量逆變器，每個逆變器供4個支路接入，集中式逆變器容量為2×500 kW。

光伏陣列經12個1 MVA箱變和1個0.5 MVA箱變升壓至10 kV后，再經1路電纜線路接入當地電網。

3 支架及基礎設計

3.1 光伏支架及基礎設計

本工程光伏陣列及基礎設計不同于以往地面光伏。光伏陣列布置于垃圾填埋場，該垃圾填埋場所填埋的垃圾為海淀區的生活垃圾，垃圾種類復雜，填埋區存在較大不均勻沉降，填埋場沉降時間長，根據相關參考文獻，最終沉降量能達到初始填埋高度的 25%～50%[5，6]。

針對本工程地質條件的特殊性，垃圾填埋場的沉降不可避免，因此光伏陣列支架及基礎設計應從如何適應地基沉降、如何盡量消除地基沉降對結構產生的影響這些角度進行考慮。通過論證，本工程光伏陣列支架及基礎推薦采用小陣列、多支架、沿垃圾填埋場地平鋪的設計方案。

光伏陣列支架布置推薦采用豎向單排布置方式，即1×2塊光伏組件。布置在堆山斜坡的光伏陣列支架結構通過縱向檁條及基礎預埋螺栓與基礎相連，沿場地平鋪；布置在堆山頂平臺的光伏陣列支架結構由縱向檁條、橫向鋼架構組成。光伏陣列基礎推薦采用預制混凝土配重基礎，基礎形狀呈“II”字型，基礎埋深0.1 m，基礎混凝土強度采用C30。光伏陣列支架及基礎布置方式如圖1、圖2所示。

圖1 單組支架光伏組件平面布置圖(單位：mm)

圖2 單組光伏支架基礎圖(單位：mm)

3.2 逆變器及箱變基礎設計

本工程一期、二期采用組串式逆變器，三期采用集裝箱集中式逆變器，分散布置在光伏電站的生產區內；一期共32座，二期共201座，三期共9座；基礎采用素混凝土墩基礎，基礎埋深為0.3 m，采用C30素混凝土。

本工程光伏電站1 MW布置1臺箱式變壓器，箱式變壓器基礎采用素混凝土墩基礎，基礎埋深為0.3 m，采用C30素混凝土。

4 發電量計算

本工程采用140 W規格的薄膜光伏組件(1611 mm×665 mm)共89992塊，規劃裝機容量約為12.6 MWp；分期建設，其中，一期0.498 MWp，二期3.128 MWp，三期8.973 MWp。

本項目中，一、二期光伏組件直接鋪設在堆山斜坡上，目前斜坡坡度按40°考慮，斜面上年平均太陽輻射為5514 MJ/m2，由于垃圾填埋場每年會有沉降，最終沉降后坡度為23°，斜面上年平均太陽輻射為5441 MJ/m2；同時，在垃圾填埋場的西南角區域內(約布置光伏組件5900塊)的光伏組件按照方位角30°考慮，該區域內坡度為40°時年平均太陽輻射為5367 MJ/m2，坡度為23°時年平均太陽輻射為5342 MJ/m2。本項目三期光伏組件按照最佳傾角35°進行布置，斜面上年平均太陽輻射為5528 MJ/m2，發電量計算時將以此為依據。

估算光伏系統上網電量，需在理論發電量的基礎上進行折減。

4.1 光伏系統的效率

光伏系統在1000 W/m2太陽輻射強度下，實際直流輸出功率與標稱功率間的比值即為光伏系統效率。光伏系統在能量轉換與傳輸過程中的損失包括：

1)組件匹配損失：對于設計優化、施工精細的系統，可考慮3%的損失。

2)最大功率點跟蹤(MPPT)精度，取值3%。

3)粉塵污染損失：即組件表面塵埃遮擋損失，取值4%。

4)不可利用太陽輻射損失：即不可利用的低、弱太陽輻射損失，取值3%。

5)溫度損失：溫度影響額定輸出功率，溫度高于標準溫度時額定輸出功率下降，取值3%。

所以，綜合以上各項因素，ηa=97%×97%×96%×97%×97%=85%。

4.2 直流側輸電效率

直流系統包括直流電纜、匯流箱、直流防雷配電柜、逆變器等。直流系統損失包括直流網絡損失和逆變器損失。逆變器效率為98.5%，直流網絡損失約為2.5%，故直流輸電效率ηb=96%。

4.3 交流側并網效率

即從逆變器交流側輸出至高壓電網的傳輸效率，主要考慮升壓變壓器的效率及交流電氣連接線路的損耗。本次測算ηc=98%。

4.4 系統總效率

系統的總效率為上述各部分效率的乘積，即：η=ηaηbηc=85%×96%×98%=80%。

4.5 衰減效率

光伏組件在光照及常規大氣環境中使用會有衰減。本工程組件每年輸出衰減按0.8%計算，最終得出本工程的25年發電量，如表3所示。

由表3可知，該光伏電站25年的年均發電量約為13867.03 MWh，年均等效利用小時數為1101 h。

表3 25年光伏電站逐年發電量統計表

5 結論

目前國內垃圾填埋氣發電項目已很普遍，但光伏發電系統尚不多見，目前僅有上海老港垃圾填埋場設計有光伏發電站。本文從工程設計的角度介紹了北京六里屯垃圾填埋場光伏發電系統的設備選型、基礎防沉降措施等設計思路，為今后已封場的垃圾填埋場光伏發電項目的建設提供了參考。

[1] 李雄， 徐迪民， 趙由才， 等. 生活垃圾填埋場封場后土地利用 [J]. 環境工程 ， 2006， 24(6)： 64 － 67．

[2] 王渡， 龔淼， 陳德珍. 垃圾填埋場封場后的太陽能光伏發電的應用和系統設計[J]. 太陽能學報， 2013， 33(1)： 60－65.

[3] 亢宇， 魯安懷， 周平， 等. 北京市六里屯垃圾填埋場的粘土礦物學特征及其對苯的吸附研究[J]. 中國非金屬礦工業導刊，2004， (1)： 34 － 37.

[4] 蘭健， 杭世. 六里屯垃圾衛生填埋場工程設計[J]．給水排水，2003， (3)： 7 － 9.

[5] 胡敏云， 陳云敏. 城市生活垃圾填埋場沉降分析與計算[J].土木工程學報 ， 2001， (6)： 90 － 94.

[6] 薛祥， 葛虹， 樂園， 等. 垃圾填埋場地基沉降計算分析及相關問題探討 [J]. 工程勘察 ， 2008， (增 2)： 17 － 20.

[7] 閻浩耘. 多組串逆變器在大型并網電站中的應用[J]. 企業技術開發 ， 2013， (9)： 32 － 33.