某废弃露天矿坑光伏发电效率实验*

2024-01-15孙延超马姣阳武泽倩张嘉豪刘佳美

现代矿业 2023年12期

孙延超马姣阳武泽倩张嘉豪刘佳美

（1.华北理工大学矿业工程学院；2.华北理工大学材料科学与工程学院；3.华北理工大学电气工程学院）

根据中国地质调查局数据统计，截至2018年，我国共有各类废弃矿山约99 000 座，其中，露天开采的废弃矿山共80 600座，且数量呈现增长趋势［1］。废弃露天坑会造成诸多生态环境问题，如地貌景观破坏、地质灾害频发以及土地资源占用等［2］。如何有效治理废弃露天坑成为亟待解决的问题。

国外主要采用工程绿化、植物盆、液压喷播等技术进行露天矿生态修复，同时出台相关法律进行管控。近年来，随着我国生态环境保护意识的提升，废弃露天坑的生态修复问题越来越受到关注。胡伟［3］总结了现阶段废弃矿山土地利用过程中出现的主要问题，为加快废弃矿山土地开发利用速度而提出一些切实可行的措施与建议。孙晓玲等［4］提出了自然恢复、人工修复以及两者相结合的3种废弃矿山生态修复模式，并分析了不同模式的适应性。

在“双碳”目标的加持下，诸多学者针对废弃露天坑的有效治理做了进一步研究。田占良［5］探究了碳中和视角下露天废弃矿山生态修复的价值，分析了当下露天废弃矿山修复中存在的问题，提出了碳中和视角下露天废弃矿山生态修复技术的优化策略。在废弃露天坑上建立光伏发电系统方面，李昊等［6］分析了“双碳”背景下进行光伏发电系统的可能性；郭经州［7］阐述了在废弃矿山中建设太阳能光伏发电站的设想；张珍奇［8］通过实验证明了在废弃矿山安装3MW光伏发电系统是可行的。关于光伏发电系统的研究，程禹年［9］运用价值工程原理和科学统筹方法，结合实际特殊地形条件，成功完成了高边坡上安装光伏发电项目；李美成等［10］针对当前实现“双碳”目标的新形势，梳理了我国光伏产业的发展现状与太阳能利用技术发展过程中面临的主要挑战，对太阳能利用技术的发展进行了展望。将废弃露天矿的治理与光伏发电系统相结合，不但可以高效利用废弃露天坑的土地资源，并且比生态修复和旅游开发等方式产生效益时间短，可以作为一种新型的废弃露天坑治理方式。然而，鲜有研究废弃露天坑的太阳能电池板安置方式与光伏发电率的关系，为此，以某废弃露天坑为工程背景，通过相似模型模拟的研究方式，探寻适用于废弃露天坑的安装要点，以提高光伏产电率。

1 试验方案

1.1 物理模型构建

河北省某露天铁矿已闭坑多年，矿坑最大直径约为300 m，台阶高度为15 m，运输线路为各开采水平出入沟通往卸矿点与排土场相连接的公路。在此基础上，以1∶75的相似比例建立物理模型，该物理模型位于河北省唐山市华北理工大学D区的一处空地，最大直径为4 m，包含4 层台阶，每层台阶高度为0.2 m。鉴于实际矿山底部台阶会受雨雪侵蚀，故本次实验不考虑底层台阶（图1）。

1.2 试验仪器

物理模型建成后，选用7台太阳能式充电宝进行试验，如图2 所示，其中，太阳能电池板的尺寸为220 mm×180 mm，蓄电池的额定容量为4 400 mAh。太阳能电池板在工作时，将其插头插入SOLARIN 插口，置于阳光下，太阳能电池板就可以将太阳能转化为电能储存在蓄电池中。为获取蓄电值，通过蓄电池给一台额定电池容量为4 200 mAh 的手机进行充电，直至蓄电池电量耗尽，以手机充电量的百分比作为太阳能电池板产电量的表征。

1.3 试验内容及步骤

为确定太阳能电池板的摆放方案要点，本试验研究目标主要包括：太阳能电池板的最佳放置方式，集中产电时间，产电率最优时的台阶层数，产电效率最优时的摆放角度。

在进行试验之前，选定了每日都能接收到光照的区域面积作为太阳能电池板初步摆放区域，此区域受光照辐射多，所产生的数据更具代表性。在露天坑外选定一个固定位置与方位，选定8∶00和17∶00 2 个时刻，由同一名实验员在同一高度进行拍照，圈定光照区域。

图3 为8∶00 露天坑照射区，由图中线条分割区域可以清晰地分辨出太阳光照区域和阴面区域。得到8∶00 的阴面区域位于北偏东29°至东偏南55°之间，同理得到17∶00 的阴面区域位于东偏南50°至西偏北15°之间。

将太阳能电池板放于各层台阶一天中的阳面照射区域，其摆放位置如图4所示。

对比试验包括太阳能电池板摆放方式与最佳位置、产电集中时间、各层台阶的产电量、太阳能电池板倾斜角度。试验采集了10 月13 日—12 月1 日和3月份的数据，其中阴天、雨雪天会造成产电量极低、太阳能电池板和蓄电池损耗等现象，故不进行试验。

2 试验数据分析

2.1 太阳能板摆放方式、最佳位置对比分析

为探究太阳能电池板水平、倾斜放置对产电率的影响，对水平和倾斜放置（约为45°）进行对比分析。共进行10 组试验，其中全天（测试时间9∶00—16∶00）水平放置试验5 组，全天倾斜放置试验5 组。10 月份的水平放置和倾斜放置的各设备全天测试实验数据如图5和图6所示。

可见，太阳能电池板产电率随着天气状况变化而变化，天气状况逐渐良好，由阴天转为晴天，产电率就会提高，反之，产电率下降。因此，如果天气状况相同的条件下，倾斜放置太阳能电池板的产电效率优于水平放置太阳能电池板；对于同一天，无论天气状况如何及太阳能电池板如何放置，位于第三层台阶北偏东47°～57°的6 号设备产电量明显高于其他设备，因此，第三层台阶的此位置是放置太阳能电池板的最佳位置。而7号设备的产电量低于其他设备，这表明了受空气稀薄度、大气透明度的影响，废弃露天坑中等靠下层台阶受太阳辐射能量相对较小，不适合安装太阳能电池板。其中，水平放置情况下，6号设备所在的第三层台阶位置与其他层台阶位置的电量差值为1%～22%；倾斜放置情况下，6号设备所在的第三层台阶位置与其他层台阶位置的电量差值为5%～13%。将太阳能电池板倾斜放置比水平放置产电量高达40%左右。

2.2 太阳能板产电集中时间段分析

为了探究太阳能电池板在一天之中各个时间段的产电量，进一步开展了12 组实验，其中上午（测试时间8∶40—12∶40）倾斜放置试验5 组，中午（测试时间10∶00—14∶00）倾斜放置试验4 组，下午（测试时间12∶00—16∶00）倾斜放置试验3组。

通过不同天气各种时间段产电量的最低值与最大值，形成一个产电量区间，来进行对比测试的3 个时间段产电量的大小，产电量通过对4 200 mAh 手机的充电量来表征，结果如表1所示。

通过表1可以发现，全天产电量的时间主要集中于中午时段，中午的太阳光照强度大，且中午的太阳直射光线与太阳能电池板平面形成的夹角更接近于直角，所以中午太阳能电池板的产电量较高。

2.3 各层台阶产电率分析

为了探究太阳能电池板在各层台阶产电率，且由于上层台阶全天光照区域较大，可安装的仪器数量较多，在第一层台阶安装3 台设备，第二层台阶安装2 台设备，第三层台阶安装1 台设备，以各层台阶单台设备的产电量表征各层台阶的产电量。经计算得到各种天气情况下的各层台阶的单台设备平均产电量，如图7所示。

第一层和第三层台阶的太阳能电池板产电量较高；第二层台阶受第一层台阶的阴影影响，所以产电量相较于第一层台阶来说较低，但两者差值不大，第三层台阶可能因为与太阳光线直射形成的角度更加接近90°，所以产电量高于第一层台阶，第四层台阶位于底层，所受阴影区域较多，所以产电量较低。

2.4 不同倾斜角度产电量分析

为了探究太阳能电池板倾斜角度对其产电量的影响，在3月份继续以同样的方式进行试验。将太阳能电池板在废弃露天坑台阶上分别倾斜0°、15°、30°、45°、60°，进行5组试验。收集试验数据如图8所示。

通过图8 可知，太阳能电池板倾斜角度从0°～30°，图线的斜率较小，表明其产电量缓慢增加；在30°～45°时，图线的斜率较大，表明其产电率迅速增加；超过45°后，图线的斜率为负值，且图线斜率的绝对值较大，表明其产电量迅速下降。由此可知，在0°、15°、30°、45°、60°这5 个角度中，45°是使太阳能电池板产电率最高的摆放角度。