“光伏+土地综合治理”模式的研究及应用

白荣丽

(西安睿诺航空装备有限公司，西安 710000)

0 引言

土地资源稀缺、土地税费高、土地性质限制等因素制约了光伏产业的发展，基于此，本文提出了将光伏发电与采煤沉陷区、尾矿、排土场及荒漠等相结合的模式，即“光伏+土地综合治理”模式。该模式既可以实现土地的循环利用，又可以降低光伏发电的土地成本，同时还能恢复废弃地的生态环境，兼顾了生态效益、社会效益和经济效益，实现了多方共赢，起到了很好的示范带动作用。本文分别针对“光伏+采煤沉陷区综合治理”“光伏+尾矿综合治理”“光伏+矿渣排土场综合治理”“光伏+治沙综合治理”等方式的设计方案进行详细介绍。

1 “光伏+采煤沉陷区综合治理”方案

光伏电站的开发建设过程是对场址所在地的土地进行平整与绿化的过程，这是因为光伏组件安装之后，一部分阳光无法直接照射到光伏组件下方的地面，降低了地表温度，水分蒸发量减少，有利于营造适合植被生长的土壤条件，恢复植物群落，重建稳定、自维持的生态系统，保护生物多样性，改善场址所在地的生态环境和景观。因此，在采煤沉陷区建设光伏电站不仅可以起到对采煤沉陷区生态治理的作用，还可以减少此类地区环境治理的工程投资，是实现采煤沉陷区生态治理的新型方案。建设在采煤沉陷区的光伏电站如图1所示。

图1 建设在采煤沉陷区的光伏电站Fig. 1 PV power station built in coal mining subsidence area

1.1 光伏支架设计方案

在光伏电站建设过程中可适当抬高光伏支架的高度，以便于后期种植植被。在光伏支架材料选择方面，应考虑材料自身的质量与回收利用价值，建议采用耐腐蚀性能好、回收利用率高的碳钢材料，最大限度减小光伏电站建设对土壤及自然环境的二次污染，方便生态恢复。

1.2 建(构)筑物基础的设计方案

光伏场区内的建(构)筑物基础主要有光伏支架基础、箱变基础、逆变器基础等，升压站涉及的建(构)筑物基础主要有综合楼、配电室、主变压器基础、无功补偿装置(SVG)基础、空气绝缘的敞开式开关设备(AIS)/气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)基础、接地变基础等。由于建(构)筑物的重量不同，其对地基基础的要求也会不同，需根据具体地质情况进行精细化设计，采用抵抗变形能力较大的基础形式。

1.3 电缆敷设方案

由于电缆直埋会破坏地表的植被，因此，规划电缆采用桥架敷设方式。电缆桥架按材质可分为碳钢制桥架、玻璃钢桥架、阻燃型桥架、铝合金桥架。碳钢制桥架、玻璃钢桥架和阻燃型桥架的使用频率较高；铝合金桥架因成本较高，通常应用在使用量少且要求较高的场所。

电缆桥架按结构形式可分为梯级式桥架、槽式桥架、托盘式桥架、组合式桥架。梯级式桥架的规格尺寸较大，所需电缆截面大且电缆数量多时可采用此种桥架结构形式，尤其是敷设动力电缆时可采用该桥架结构形式；槽式桥架的密封效果较好，敷设二次电缆时通常采用此种桥架结构形式；电缆截面小且电缆数量少的一次电缆敷设时常采用托盘式桥架或组合式桥架。

2 “光伏+尾矿综合治理”方案

在尾矿库区建设光伏电站能在有效缓解光伏电站用地压力的同时，解决经济发展与生态环境不平衡的问题，实现绿色发展。建设在尾矿库区的光伏电站如图2所示。

图2 建设在尾矿库区的光伏电站Fig. 2 PV power station built in tailings pond area

考虑到尾矿库区内的地质情况复杂，光伏电站的开关站或升压站不宜建设在尾矿库区内，应综合考虑出线方向、道路运输情况、综合成本等因素，在尾矿库区外选择适宜的站址[1]。箱变、逆变器等设备的放置位置也需结合地质勘测报告进行综合考虑，宜选择地基承载力好、不受雨水冲刷或自然沉降影响的区域。光伏场区内进行光伏阵列的竖向设计时，应严格遵循随坡就势的原则，尽量不进行大范围的场平施工，避免破坏原始地貌；利用原有的排水沟做好光伏场区的排水设计，避免水土流失。

3 “光伏+矿渣排土场综合治理”方案

矿渣排土场普遍存在地形起伏高差较大、植被覆盖率低、裸露地表扬尘大、部分边坡坡度较大且土壤侵蚀严重等问题，在干燥气候及大风作用下极易产生矿尘暴，对矿渣排土场周边的环境造成了污染。将光伏电站建设与矿渣排土场治理相结合，能在充分利用矿渣排土场闲置土地资源的同时，通过“以光治荒”的方式全力推进光伏发电项目的建设，构建以新能源产业为支撑、生态环境治理与修复为原则的模式，将生态保护与绿色高效能源战略有机融合，以达到良好经济发展和生态环境治理的效果[2]。

针对矿渣排土场土地的开发、利用及治理，光伏电站的建设既可以解决发展低碳经济、节能减排、开发绿色清洁新能源、实现能源结构调整面临的问题，也可以实现对矿渣排土场的综合治理，是综合治理矿渣排土场的创新性解决方案，对其他类型排土场的治理具有示范作用。在矿渣排土场建设的采用柔性支架的光伏电站和在矿渣排土场建设的采用固定支架的光伏电站分别如图3、图4所示。

图3 在矿渣排土场建设的采用柔性支架的光伏电站Fig. 3 PV power station built in slag dump using flexible support

图4 在矿渣排土场建设的采用固定支架的光伏电站Fig. 4 PV power station built in slag dump with fixed support

通常，大型矿渣排土场完成矿渣排放后，会形成台阶式地形，后续需开展复垦与治理。对于采矿后回填区的排土场地形，在建设光伏电站时，若继续使用常规的光伏支架，一方面会降低土地利用率，无法满足光伏电站规模与经济性的要求；另一方面也不利于满足此区域土地的复垦要求。针对矿渣排土场地形的特殊情况，本文应用了柔性光伏支架解决了矿渣排土场台阶式地形带来的难题，在提高土地利用率的同时便于进行排土场绿化复垦，实现土地的综合利用。

对于台阶式地形，推荐采用柔性光伏支架，并应用无粘结预应力技术，通过对主锁施加预应力使光伏支架获得刚度，通过稳定索和四角锥，使光伏支撑系统可以抵御风振。同时，所有的索系统均采用镀锌钢绞线外加保护层的方式，以确保其可在高腐蚀环境中工作。

在光伏组件安装及维修过程中，通过二次张拉有效控制主锁的扰度，并利用专用的连接件以滑移的方式解决光伏组件安装与维修，此方式可以减小对主锁的振动，避免光伏组件出现隐裂。支撑系统的立柱采用轻型立柱，现场组装不使用吊装设备，施工方便，可完美解决台阶式地形的施工难度，且经济性强。采用柔性光伏支架的光伏电站如图5所示。

图5 采用柔性光伏支架的光伏电站Fig. 5 PV power station with flexible PV support

稳定索的使用解决了检修维护过程对光伏组件支撑系统的稳定性、使用寿命及挠度的影响，确保组件不会出现隐裂。

对于同样面积的区域，采用固定式光伏支架时布置的光伏组件容量仅为采用柔性支撑系统时的1/3，而且采用柔性光伏支架时，支架下方空间较大，利于实现种植作业。并且柔性光伏支架的用钢量少、自重小，造价成本低，且施工周期短。此外，柔性光伏支架对地形坡度要求小，预装性强，可适用于山地、荒坡、渔塘及林地等大跨度应用场景，并且不影响农作物的机械化复垦和种植及渔塘的养殖。

4 “光伏+治沙综合治理”方案

光伏治沙项目不仅改变了当地的能源结构和产业结构，还服务了当地的牧业发展，解决了当地部分农牧民的就业问题，兼顾了生态效益、社会效益和经济效益，实现了多方共赢，为光伏发电技术在其他荒漠地区的应用起到了很好的示范带动作用。“光伏+治沙综合治理”方案应用前、后的图片如图6、图7所示。

图6 “光伏+治沙综合治理”方案应用前Fig. 6 Before the application of“PV + sand control comprehensive management” program

图7 “光伏+治沙综合治理”方案应用后Fig. 7 After the application of“PV + sand control comprehensive management” program

荒漠地区的治沙措施包括植物固沙、工程治沙、综合固沙林防护及复合套种模式，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+治沙综合治理”方案是将上部的光伏发电技术与下部的植物固沙相结合，因光伏组件对太阳光的遮挡，可减少组件下部地表水分蒸发，同时降低光伏场区内的风速，有利于下部固沙植被的生长，有效改善生态环境，从而达到荒漠化治理的目的。

5 结论

本文将光伏电站的建设与采煤沉陷区、尾矿、矿渣排土场及荒漠等土地利用有机结合，形成“光伏+土地综合治理”模式，该模式在减少光伏电站土地成本投入的同时，可达到生态环境改善的效果。此外，当采用柔性光伏支架时，可在光伏组件下方开展以牧草、杂粮、中药材等为主的农作物的种植，实现了农业生产与光伏发电技术结合的绿色发展模式。