矿区采煤沉陷废弃地农光互补研究与实践

2018-03-07杨海宾攀枝花煤业集团有限责任公司

节能与环保 2018年2期

文 _ 杨海宾攀枝花煤业（集团）有限责任公司

攀枝花市宝鼎矿区是四川省最大的煤矿工业区，资源储量丰富。自20世纪60年代开发建设以来，已探明的储量达8亿t，分布在攀枝花市近200km2的范围内。经过多年煤炭资源大量开采，因采空区沉陷引发的环境和社会问题也日益显现，宝鼎矿区已形成采空沉陷废弃地2500多亩。如何加强采煤沉陷区综合治理，实现“建设新型矿山和农光互补示范区”的战略目标，已成为摆在我们面前的一项重大任务。

1 宝鼎矿山沉陷区现状及需要解决的主要问题

1.1 沉陷区现状

煤炭作为攀钢钒钛基地战略建设的配套资源，宝鼎矿区煤炭开采时间已有50多年，加之过去“先生产后生活”的开发模式已导致矿区地质采空面不断扩大，地表水严重枯竭、地下水位下降，山体滑坡断裂，地表沉陷，水土流失严重，危房户不断增加等问题（沉陷区地貌见图1）。目前，采煤沉陷区面积已达140多km2，涉及住户已达24634户，共计7万余人，占攀枝花市城市总人口的6.5%。

图1 宝鼎矿山沉陷区地貌

按照“科学规划、有序推进、精心组织、精心实施、先急后缓、全面治理”的原则，政府对宝鼎矿区采空沉陷区综合治理进行了统一部署，解决采空区群众居住和生活问题，同时也对沉陷区进行治理，为维护采煤沉陷区秩序和社会安定创造了基础条件。

1.2 需要解决的主要问题

2005以来，国家及市政府用在采空沉陷区的治理工作上取得了一定成效，但由于沉陷区涉面广、治理难度大，因此仍有许多问题需要进一步加以解决。

1.2.1 土地资源浪费大

大宝顶烂泥箐棚户区和摩梭河采空沉陷区的居民搬迁后留下约1400亩的废弃用地。在如今土地资源稀缺的时代，这无疑是极大的浪费。

1.2.2 生态环境破坏严重

宝鼎矿山沉陷区虽然利用矿渣、煤矸石、挖土等进行了部分回填，但宝鼎矿区地质采空面大，地表水严重枯竭、地下水位下降、山体滑坡断裂、水土流失严重，严重的影响生态环境。

1.2.3 治理资金不足

2007年10月，攀枝花开始以每吨20元的标准征收治理费，用于沉陷区的治理，取得了一定成效。但是，由于地方财力和企业用于沉陷区治理的资金严重不足、城市建设的历史性欠账较多、配套的政策措施严重滞后、渠道不广，直接影响和制约沉陷区综合治理的进度。

2 宝鼎矿山沉陷区农光互补

通过对宝鼎矿区的沉陷区的一系列调研了解到，该地区可利用土地资源较为丰富，并且有很好的太阳能资源。同时，《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》的颁布，推动了分布式光伏发电在众多领域的应用，使我们看到了利用沉陷区治理与农光互补产业的美好前景。

2.1 农光互补总体规划

农光互补是将太阳能光伏发电和农业种植相结合的一种技术，可以实现土地立体化增值利用，建设现代高效农业综合经济体。大宝鼎光伏电站将发展光伏发电、新能源与农业种养殖、治理采煤沉陷区相结合（图2），对于探索采煤沉陷区生态修复、资源型城市能源发展方式转变具有一定的推动作用。

图2 农光互补总体平面图

本项目利用大宝顶烂泥菁片区沉陷区废弃地建设30MW（由18个标称1.6MW和2个标称1.0MW方阵组成）光伏发电系统,包括农光互补地面式光伏、农光互补大棚光伏阵列、单轴跟踪式光伏。对光伏板下部及外围区域的土地资源进行农业开发建设，建为“农业与光伏互补，种植与养殖循环结合，水土保持、生态修复与农业发展并重”“三位一体”的采空区可持续农业发展示范区。

2.2 30MWp分布式光伏发电

攀枝花地处四川西南部，光照资源丰富，日照时数6h的年平均天数达270d以上，平均太阳总辐射量为5600～6700MJ/m2·a，太阳总辐射量的分布以夏季最多，太阳能辐射年总量的平均绝对距平值为228MJ/m2·a，平均相对变率为3.8%。各季节典型日的日内辐射量变化见图3。

图3 攀枝花各季节典型日的日内辐射量变化曲线

由图3可知，攀枝花气象站夏季白昼最长时，6时开始有太阳辐射，20时辐射结束，日照长达15h。冬季白昼最短时8时开始有太阳辐射，18时辐射结束，日照时间11h。辐射量集中在9～16时，占全天辐射量的90%。是全国可开发利用太阳能最好的地区之一，在太阳能应用上具有非常优越的自然条件。

光伏发电首先是太阳能电池方阵通过串并联方式接入直流防雷汇流箱，汇流箱输出进入配电房直流配电柜内，由并网逆变器将直流转变成50Hz/380V的交流电，再经交流配电系统后接入升压变压系统升压至35kV，向电网输送。本项目并网接入系统方案采用35kV中高压并网，就近并入附近35kV变电站（图4）。

图4 光伏发电并网接线图

2.2.1 光伏电池

目前晶体硅电池占光伏电池总量的93%，单晶硅比多晶硅转换效率高。单晶硅电池单片光电转换效率约为17%左右，比多晶硅光电转换效率高约1%。本项目选用单晶硅光伏电池，容量为280Wp。

2.2.2 光伏阵列运行方式

本项目利用宝鼎矿区烂泥箐闲置的沉陷土地资源，在原有的基础上进一步治理，共划分为4个区，从北向南依次为A、B、C、D区。

其中A区复垦为耕地和园地的总面积约为571.2亩，地形整体为东西坡趋势，坡度为15～50°。A区站址共分为小平单轴光伏区、大棚光伏区和普通农业光伏区（支架升高至最低点1.5m），三个区的容量分别为1MW、0.5MW及6.8MW。

B地块约为201亩，地形整体为南北坡，坡度为15～40°，最终布置容量约为5MW。

C地块约为580.95亩，地形整体为西北-东南坡，坡度约为15～30°，场地地形地貌条件为整体四块地整体性较好，且布置较集中，交通条件较好，经布置后，容量约为25MW。

D地块约为370亩，地形坡向与C地块一致，坡度约为15～40°，经布置后容量约为15MW左右。

本期30MWp优先开发A区、C区下侧和D区上侧部分，B区、C区及D区余下部分为后期开发地块。

本项目地处偏远，且海拔较高，考虑到后期运行时平单轴方案的人工及设备的运行可靠性等因素，现阶段主要采用固定式并搭配少部分平单轴建设方案，光伏支架固定，或随季节不同调整支架倾角。

2.2.3 光伏电池方阵电池组件的串、并联设计

①单晶硅太阳电池组件。本工程由18个标称1.6MW和2个标称1.0MW太阳电池方阵组成，全部采用单晶硅太阳电池组件。逆变器设计最高输入电压1100V，电池组件采用22片串联的方式。②标称1.6MW方阵由256串并联支路形成；标称1.0MW方阵136串并联支路组成。③太阳电池矩阵的组件。1.6MW多晶硅太阳电池矩阵的组件数量5632块（280Wp单晶硅），发电容1.57696MW（标称容量为1.6MW）；1.0MW多晶硅太阳电池矩阵的组件数量2992块（280Wp单晶硅），发电容量0.83776MWp（标称容量为1.0MW），发电总容量：30.0608MWp（标称容量为30MW）。

2.3 农业种植与养殖

项目对光伏板下部及外围区域的土地资源进行农业开发建设，规划面积549亩，建设为“农业与光伏互补，种植与养殖循环结合，水土保持、生态修复与农业发展并重”“三位一体”的采空区可持续农业发展示范区（图5）。

农业开发范围包括光伏板布置区域的光伏板下和板间、光伏板区域的边坡及光伏板布置区域外（项目地红线内），分别是肉牛养殖、紫花苜蓿光草种植模式、皇竹草种植、光蔬模式种植和光菌种植模式、植被恢复种植和边坡生态治理、高效节水水源及田间管网工程7个项目。

养殖上设计优良的肉牛品种，所需的粗饲料完全靠项目区种植牧草解决，达到种养平衡。

牧草品种选择种植耐旱、耐瘠薄的豆科牧草紫花苜蓿、新木豆、猪屎豆和禾本科牧草皇竹草，供给肉牛养殖所需的搭配饲草。

种植耐旱、耐阴蔬菜“紫背天葵”和高效益的食用菌。牛粪便通过沼液池、化粪池处理后完全应用于牧草、蔬菜和食用菌种植需求，节约了肥料投入。

针对煤矿采空区的脆弱生态，在光伏板外围区域设计混植新木豆和猪屎豆，在光伏板铺设区域的边坡种植何首乌。一是推进植被恢复、增加植被覆盖，减少了项目区的地表蒸发、增加了水源涵养；二是保持了项目区域的水土，防止因水土流失造成光伏设施的损坏；三是适度有序的刈割新木豆和猪屎豆为肉牛养殖提供了饲料补充、多余牧草部分可以出售；四是何首乌成熟后可以采收获得经济效益，同时其采挖不会破坏边坡土壤结构的稳定。

同时项目采用高效节水灌溉技术和建设集雨窖等措施实施节水和雨养农业。