“光伏+土地綜合治理”模式的研究及應用

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、土地稅費高、土地性質限制等因素制約了光伏產業的發展，基于此，本文提出了將光伏發電與采煤沉陷區、尾礦、排土場及荒漠等相結合的模式，即“光伏+土地綜合治理”模式。該模式既可以實現土地的循環利用，又可以降低光伏發電的土地成本，同時還能恢復廢棄地的生態環境，兼顧了生態效益、社會效益和經濟效益，實現了多方共贏，起到了很好的示范帶動作用。本文分別針對“光伏+采煤沉陷區綜合治理”“光伏+尾礦綜合治理”“光伏+礦渣排土場綜合治理”“光伏+治沙綜合治理”等方式的設計方案進行詳細介紹。

1 “光伏+采煤沉陷區綜合治理”方案

光伏電站的開發建設過程是對場址所在地的土地進行平整與綠化的過程，這是因為光伏組件安裝之后，一部分陽光無法直接照射到光伏組件下方的地面，降低了地表溫度，水分蒸發量減少，有利于營造適合植被生長的土壤條件，恢復植物群落，重建穩定、自維持的生態系統，保護生物多樣性，改善場址所在地的生態環境和景觀。因此，在采煤沉陷區建設光伏電站不僅可以起到對采煤沉陷區生態治理的作用，還可以減少此類地區環境治理的工程投資，是實現采煤沉陷區生態治理的新型方案。建設在采煤沉陷區的光伏電站如圖1所示。

圖1 建設在采煤沉陷區的光伏電站Fig. 1 PV power station built in coal mining subsidence area

1.1 光伏支架設計方案

在光伏電站建設過程中可適當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，應考慮材料自身的質量與回收利用價值，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對土壤及自然環境的二次污染，方便生態恢復。

1.2 建(構)筑物基礎的設計方案

光伏場區內的建(構)筑物基礎主要有光伏支架基礎、箱變基礎、逆變器基礎等，升壓站涉及的建(構)筑物基礎主要有綜合樓、配電室、主變壓器基礎、無功補償裝置(SVG)基礎、空氣絕緣的敞開式開關設備(AIS)/氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)基礎、接地變基礎等。由于建(構)筑物的重量不同，其對地基基礎的要求也會不同，需根據具體地質情況進行精細化設計，采用抵抗變形能力較大的基礎形式。

1.3 電纜敷設方案

由于電纜直埋會破壞地表的植被，因此，規劃電纜采用橋架敷設方式。電纜橋架按材質可分為碳鋼制橋架、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，通常應用在使用量少且要求較高的場所。

電纜橋架按結構形式可分為梯級式橋架、槽式橋架、托盤式橋架、組合式橋架。梯級式橋架的規格尺寸較大，所需電纜截面大且電纜數量多時可采用此種橋架結構形式，尤其是敷設動力電纜時可采用該橋架結構形式；槽式橋架的密封效果較好，敷設二次電纜時通常采用此種橋架結構形式；電纜截面小且電纜數量少的一次電纜敷設時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

在尾礦庫區建設光伏電站能在有效緩解光伏電站用地壓力的同時，解決經濟發展與生態環境不平衡的問題，實現綠色發展。建設在尾礦庫區的光伏電站如圖2所示。

圖2 建設在尾礦庫區的光伏電站Fig. 2 PV power station built in tailings pond area

考慮到尾礦庫區內的地質情況復雜，光伏電站的開關站或升壓站不宜建設在尾礦庫區內，應綜合考慮出線方向、道路運輸情況、綜合成本等因素，在尾礦庫區外選擇適宜的站址[1]。箱變、逆變器等設備的放置位置也需結合地質勘測報告進行綜合考慮，宜選擇地基承載力好、不受雨水沖刷或自然沉降影響的區域。光伏場區內進行光伏陣列的豎向設計時，應嚴格遵循隨坡就勢的原則，盡量不進行大范圍的場平施工，避免破壞原始地貌；利用原有的排水溝做好光伏場區的排水設計，避免水土流失。

3 “光伏+礦渣排土場綜合治理”方案

礦渣排土場普遍存在地形起伏高差較大、植被覆蓋率低、裸露地表揚塵大、部分邊坡坡度較大且土壤侵蝕嚴重等問題，在干燥氣候及大風作用下極易產生礦塵暴，對礦渣排土場周邊的環境造成了污染。將光伏電站建設與礦渣排土場治理相結合，能在充分利用礦渣排土場閑置土地資源的同時，通過“以光治荒”的方式全力推進光伏發電項目的建設，構建以新能源產業為支撐、生態環境治理與修復為原則的模式，將生態保護與綠色高效能源戰略有機融合，以達到良好經濟發展和生態環境治理的效果[2]。

針對礦渣排土場土地的開發、利用及治理，光伏電站的建設既可以解決發展低碳經濟、節能減排、開發綠色清潔新能源、實現能源結構調整面臨的問題，也可以實現對礦渣排土場的綜合治理，是綜合治理礦渣排土場的創新性解決方案，對其他類型排土場的治理具有示范作用。在礦渣排土場建設的采用柔性支架的光伏電站和在礦渣排土場建設的采用固定支架的光伏電站分別如圖3、圖4所示。

圖3 在礦渣排土場建設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 在礦渣排土場建設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，大型礦渣排土場完成礦渣排放后，會形成臺階式地形，后續需開展復墾與治理。對于采礦后回填區的排土場地形，在建設光伏電站時，若繼續使用常規的光伏支架，一方面會降低土地利用率，無法滿足光伏電站規模與經濟性的要求；另一方面也不利于滿足此區域土地的復墾要求。針對礦渣排土場地形的特殊情況，本文應用了柔性光伏支架解決了礦渣排土場臺階式地形帶來的難題，在提高土地利用率的同時便于進行排土場綠化復墾，實現土地的綜合利用。

對于臺階式地形，推薦采用柔性光伏支架，并應用無粘結預應力技術，通過對主鎖施加預應力使光伏支架獲得剛度，通過穩定索和四角錐，使光伏支撐系統可以抵御風振。同時，所有的索系統均采用鍍鋅鋼絞線外加保護層的方式，以確保其可在高腐蝕環境中工作。

在光伏組件安裝及維修過程中，通過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，此方式可以減小對主鎖的振動，避免光伏組件出現隱裂。支撐系統的立柱采用輕型立柱，現場組裝不使用吊裝設備，施工方便，可完美解決臺階式地形的施工難度，且經濟性強。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

穩定索的使用解決了檢修維護過程對光伏組件支撐系統的穩定性、使用壽命及撓度的影響，確保組件不會出現隱裂。

對于同樣面積的區域，采用固定式光伏支架時布置的光伏組件容量僅為采用柔性支撐系統時的1/3，而且采用柔性光伏支架時，支架下方空間較大，利于實現種植作業。并且柔性光伏支架的用鋼量少、自重小，造價成本低，且施工周期短。此外，柔性光伏支架對地形坡度要求小，預裝性強，可適用于山地、荒坡、漁塘及林地等大跨度應用場景，并且不影響農作物的機械化復墾和種植及漁塘的養殖。

4 “光伏+治沙綜合治理”方案

光伏治沙項目不僅改變了當地的能源結構和產業結構，還服務了當地的牧業發展，解決了當地部分農牧民的就業問題，兼顧了生態效益、社會效益和經濟效益，實現了多方共贏，為光伏發電技術在其他荒漠地區的應用起到了很好的示范帶動作用。“光伏+治沙綜合治理”方案應用前、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”方案應用后Fig. 7 After the application of“PV + sand control comprehensive management” program

荒漠地區的治沙措施包括植物固沙、工程治沙、綜合固沙林防護及復合套種模式，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。“光伏+治沙綜合治理”方案是將上部的光伏發電技術與下部的植物固沙相結合，因光伏組件對太陽光的遮擋，可減少組件下部地表水分蒸發，同時降低光伏場區內的風速，有利于下部固沙植被的生長，有效改善生態環境，從而達到荒漠化治理的目的。

5 結論

本文將光伏電站的建設與采煤沉陷區、尾礦、礦渣排土場及荒漠等土地利用有機結合，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，可達到生態環境改善的效果。此外，當采用柔性光伏支架時，可在光伏組件下方開展以牧草、雜糧、中藥材等為主的農作物的種植，實現了農業生產與光伏發電技術結合的綠色發展模式。