某廢棄露天礦坑光伏發電效率實驗*

孫延超 馬姣陽 武澤倩 張嘉豪 劉佳美

（1.華北理工大學礦業工程學院；2.華北理工大學材料科學與工程學院；3.華北理工大學電氣工程學院）

根據中國地質調查局數據統計，截至2018年，我國共有各類廢棄礦山約99 000 座，其中，露天開采的廢棄礦山共80 600座，且數量呈現增長趨勢［1］。廢棄露天坑會造成諸多生態環境問題，如地貌景觀破壞、地質災害頻發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題。

國外主要采用工程綠化、植物盆、液壓噴播等技術進行露天礦生態修復，同時出臺相關法律進行管控。近年來，隨著我國生態環境保護意識的提升，廢棄露天坑的生態修復問題越來越受到關注。胡偉［3］總結了現階段廢棄礦山土地利用過程中出現的主要問題，為加快廢棄礦山土地開發利用速度而提出一些切實可行的措施與建議。孫曉玲等［4］提出了自然恢復、人工修復以及兩者相結合的3種廢棄礦山生態修復模式，并分析了不同模式的適應性。

在“雙碳”目標的加持下，諸多學者針對廢棄露天坑的有效治理做了進一步研究。田占良［5］探究了碳中和視角下露天廢棄礦山生態修復的價值，分析了當下露天廢棄礦山修復中存在的問題，提出了碳中和視角下露天廢棄礦山生態修復技術的優化策略。在廢棄露天坑上建立光伏發電系統方面，李昊等［6］分析了“雙碳”背景下進行光伏發電系統的可能性；郭經州［7］闡述了在廢棄礦山中建設太陽能光伏發電站的設想；張珍奇［8］通過實驗證明了在廢棄礦山安裝3MW光伏發電系統是可行的。關于光伏發電系統的研究，程禹年［9］運用價值工程原理和科學統籌方法，結合實際特殊地形條件，成功完成了高邊坡上安裝光伏發電項目；李美成等［10］針對當前實現“雙碳”目標的新形勢，梳理了我國光伏產業的發展現狀與太陽能利用技術發展過程中面臨的主要挑戰，對太陽能利用技術的發展進行了展望。將廢棄露天礦的治理與光伏發電系統相結合，不但可以高效利用廢棄露天坑的土地資源，并且比生態修復和旅游開發等方式產生效益時間短，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能電池板安置方式與光伏發電率的關系，為此，以某廢棄露天坑為工程背景，通過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，以提高光伏產電率。

1 試驗方案

1.1 物理模型構建

河北省某露天鐵礦已閉坑多年，礦坑最大直徑約為300 m，臺階高度為15 m，運輸線路為各開采水平出入溝通往卸礦點與排土場相連接的公路。在此基礎上，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D區的一處空地，最大直徑為4 m，包含4 層臺階，每層臺階高度為0.2 m。鑒于實際礦山底部臺階會受雨雪侵蝕，故本次實驗不考慮底層臺階（圖1）。

1.2 試驗儀器

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

1.3 試驗內容及步驟

為確定太陽能電池板的擺放方案要點，本試驗研究目標主要包括：太陽能電池板的最佳放置方式，集中產電時間，產電率最優時的臺階層數，產電效率最優時的擺放角度。

在進行試驗之前，選定了每日都能接收到光照的區域面積作為太陽能電池板初步擺放區域，此區域受光照輻射多，所產生的數據更具代表性。在露天坑外選定一個固定位置與方位，選定8∶00和17∶00 2 個時刻，由同一名實驗員在同一高度進行拍照，圈定光照區域。

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

將太陽能電池板放于各層臺階一天中的陽面照射區域，其擺放位置如圖4所示。

對比試驗包括太陽能電池板擺放方式與最佳位置、產電集中時間、各層臺階的產電量、太陽能電池板傾斜角度。試驗采集了10 月13 日—12 月1 日和3月份的數據，其中陰天、雨雪天會造成產電量極低、太陽能電池板和蓄電池損耗等現象，故不進行試驗。

2 試驗數據分析

2.1 太陽能板擺放方式、最佳位置對比分析

為探究太陽能電池板水平、傾斜放置對產電率的影響，對水平和傾斜放置（約為45°）進行對比分析。共進行10 組試驗，其中全天（測試時間9∶00—16∶00）水平放置試驗5 組，全天傾斜放置試驗5 組。10 月份的水平放置和傾斜放置的各設備全天測試實驗數據如圖5和圖6所示。

可見，太陽能電池板產電率隨著天氣狀況變化而變化，天氣狀況逐漸良好，由陰天轉為晴天，產電率就會提高，反之，產電率下降。因此，如果天氣狀況相同的條件下，傾斜放置太陽能電池板的產電效率優于水平放置太陽能電池板；對于同一天，無論天氣狀況如何及太陽能電池板如何放置，位于第三層臺階北偏東47°～57°的6 號設備產電量明顯高于其他設備，因此，第三層臺階的此位置是放置太陽能電池板的最佳位置。而7號設備的產電量低于其他設備，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階受太陽輻射能量相對較小，不適合安裝太陽能電池板。其中，水平放置情況下，6號設備所在的第三層臺階位置與其他層臺階位置的電量差值為1%～22%；傾斜放置情況下，6號設備所在的第三層臺階位置與其他層臺階位置的電量差值為5%～13%。將太陽能電池板傾斜放置比水平放置產電量高達40%左右。

2.2 太陽能板產電集中時間段分析

為了探究太陽能電池板在一天之中各個時間段的產電量，進一步開展了12 組實驗，其中上午（測試時間8∶40—12∶40）傾斜放置試驗5 組，中午（測試時間10∶00—14∶00）傾斜放置試驗4 組，下午（測試時間12∶00—16∶00）傾斜放置試驗3組。

通過不同天氣各種時間段產電量的最低值與最大值，形成一個產電量區間，來進行對比測試的3 個時間段產電量的大小，產電量通過對4 200 mAh 手機的充電量來表征，結果如表1所示。

通過表1可以發現，全天產電量的時間主要集中于中午時段，中午的太陽光照強度大，且中午的太陽直射光線與太陽能電池板平面形成的夾角更接近于直角，所以中午太陽能電池板的產電量較高。

2.3 各層臺階產電率分析

為了探究太陽能電池板在各層臺階產電率，且由于上層臺階全天光照區域較大，可安裝的儀器數量較多，在第一層臺階安裝3 臺設備，第二層臺階安裝2 臺設備，第三層臺階安裝1 臺設備，以各層臺階單臺設備的產電量表征各層臺階的產電量。經計算得到各種天氣情況下的各層臺階的單臺設備平均產電量，如圖7所示。

第一層和第三層臺階的太陽能電池板產電量較高；第二層臺階受第一層臺階的陰影影響，所以產電量相較于第一層臺階來說較低，但兩者差值不大，第三層臺階可能因為與太陽光線直射形成的角度更加接近90°，所以產電量高于第一層臺階，第四層臺階位于底層，所受陰影區域較多，所以產電量較低。

2.4 不同傾斜角度產電量分析

為了探究太陽能電池板傾斜角度對其產電量的影響，在3月份繼續以同樣的方式進行試驗。將太陽能電池板在廢棄露天坑臺階上分別傾斜0°、15°、30°、45°、60°，進行5組試驗。收集試驗數據如圖8所示。

通過圖8 可知，太陽能電池板傾斜角度從0°～30°，圖線的斜率較小，表明其產電量緩慢增加；在30°～45°時，圖線的斜率較大，表明其產電率迅速增加；超過45°后，圖線的斜率為負值，且圖線斜率的絕對值較大，表明其產電量迅速下降。由此可知，在0°、15°、30°、45°、60°這5 個角度中，45°是使太陽能電池板產電率最高的擺放角度。

3 結論

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

（2）根據四季光照情況，建議在廢棄露天礦山的全年光強區集中安裝太陽能電池板，光弱區少安裝太陽能電池板。

（3）綜合考慮本試驗中下層臺階安裝太陽能電池板產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，太陽能發電設備安裝于警戒線以上。