已封场的垃圾填埋场光伏发电系统设计

中国华电工程(集团)有限公司 华电工程设计院 ■ 杨光磊

0 引言

随着我国城镇化水平不断提高，城镇规模、数量持续增长，日常垃圾、建筑垃圾也在与日俱增。据统计，全国每年产生垃圾约为2.5亿t，并以每年8%的速度增长，垃圾填埋处理及填埋场封场后的开发利用已成为制约城市发展的一个重要环节。将封场后的垃圾填埋场建设为光伏发电站，不仅利用了填埋场地，而且创造了经济价值，是目前国内外资源再生利用的一个主要趋势[1，2]。

本文以北京市六里屯垃圾填埋场为例，介绍了垃圾填埋场光伏电站的设计方案，并进行基础方案及设备选型论证，为今后的垃圾填埋场光伏电站设计提供了参考。

1 工程概况

北京市海淀区六里屯垃圾填埋场位于北京市海淀区永丰乡，占地面积达465300 m2，填埋区占地面积约为345300 m2，是北京较大的现代化垃圾填埋场，也是海淀区唯一的无害化垃圾填埋设施[3，4]。

垃圾填埋场地面以下埋深为25 m，地面以上设计填埋高度为20 m。采用2 mm厚高密度聚乙烯( HDPE) 膜与700 mm厚粘土层复合作为渗滤液防渗层。填埋场沉降时间长，最终沉降量能达到初始填埋高度的25%～50%[5，6]。

工程地处大陆性季风气候区域，年平均气温为11.8 ℃；年平均降雨量为550 mm；春、冬两季风向为西北风，风沙较大，多年平均风速为2.6 m/s；年平均日照时数在2084～2873 h之间。

拟建电站安装在堆山斜坡东、南、西侧的4级环形坡面，以及堆山顶部平坦区域，场区周围无高大建筑。工程地点辐射量见表1。

表1 月均太阳辐射量表

根据计算得到的场址区域辐射数据显示，项目所在地区平均年总辐射为4839.47 MJ/m2，根据《太阳能资源评估方法》(QXT 89-2008)，光伏电站所处地区属于“资源丰富区”。

光伏电站规划建设总容量为12.6 MWp，分期建设：一期工程开发建设0.498 MWp，二期工程开发建设3.128 MWp，三期工程开发建设8.973 MWp。目前各期均在建设中。

2 光伏发电系统设计

2.1 光伏组件选择与设计

目前并网型光伏系统常用的光伏组件为多晶硅组件、非晶硅薄膜组件或单晶硅组件。总包型工程中光伏组件的选择依据除了效率、容量等性能参数外，投资方还需考虑其他的效益问题。近年来，随着国内光伏企业产能大幅提高和欧洲对华光伏反倾销政策的出台，国内滞销了大量产品。光伏企业为了寻求利润最大化，通常选择自行建设光伏电站。

本工程为某薄膜组件生产企业投资，因此选择140 Wp铜铟镓硒薄膜光伏组件，经计算，采用28块光伏组件串联为1路。标准测试条件下参数见表2。

表2 140 Wp CIGS光伏电池组件技术参数表

2.2 逆变器及箱变的选择与设计

由于堆山斜面的4级环形坡面较窄，如果采用集中式逆变器，直流电缆过长，将导致电缆截面增加，直流损耗增大；且场地狭窄，无法布置集中式逆变器，因此本工程拟采用便于安装且容量较小的组串式逆变器，仅在堆山顶部平坦区域采用集中式箱型逆变器[7]。

组串式逆变器的最大优点是多路MPPT(最大功率点跟踪)，几乎每路接入逆变器的组串支路都有独立的MPPT控制器，确保每个支路都能在最佳状态工作，不受阴影遮挡及组串间参数差异的影响，减少了光伏组件最佳点与逆变器不匹配的情况，较集中式逆变器可提高发电量约6.52%。

本工程采用国内知名厂家生产的15 kW容量逆变器，每个逆变器供4个支路接入，集中式逆变器容量为2×500 kW。

光伏阵列经12个1 MVA箱变和1个0.5 MVA箱变升压至10 kV后，再经1路电缆线路接入当地电网。

3 支架及基础设计

3.1 光伏支架及基础设计

本工程光伏阵列及基础设计不同于以往地面光伏。光伏阵列布置于垃圾填埋场，该垃圾填埋场所填埋的垃圾为海淀区的生活垃圾，垃圾种类复杂，填埋区存在较大不均匀沉降，填埋场沉降时间长，根据相关参考文献，最终沉降量能达到初始填埋高度的 25%～50%[5，6]。

针对本工程地质条件的特殊性，垃圾填埋场的沉降不可避免，因此光伏阵列支架及基础设计应从如何适应地基沉降、如何尽量消除地基沉降对结构产生的影响这些角度进行考虑。通过论证，本工程光伏阵列支架及基础推荐采用小阵列、多支架、沿垃圾填埋场地平铺的设计方案。

光伏阵列支架布置推荐采用竖向单排布置方式，即1×2块光伏组件。布置在堆山斜坡的光伏阵列支架结构通过纵向檩条及基础预埋螺栓与基础相连，沿场地平铺；布置在堆山顶平台的光伏阵列支架结构由纵向檩条、横向钢架构组成。光伏阵列基础推荐采用预制混凝土配重基础，基础形状呈“II”字型，基础埋深0.1 m，基础混凝土强度采用C30。光伏阵列支架及基础布置方式如图1、图2所示。

图1 单组支架光伏组件平面布置图(单位：mm)

图2 单组光伏支架基础图(单位：mm)

3.2 逆变器及箱变基础设计

本工程一期、二期采用组串式逆变器，三期采用集装箱集中式逆变器，分散布置在光伏电站的生产区内；一期共32座，二期共201座，三期共9座；基础采用素混凝土墩基础，基础埋深为0.3 m，采用C30素混凝土。

本工程光伏电站1 MW布置1台箱式变压器，箱式变压器基础采用素混凝土墩基础，基础埋深为0.3 m，采用C30素混凝土。

4 发电量计算

本工程采用140 W规格的薄膜光伏组件(1611 mm×665 mm)共89992块，规划装机容量约为12.6 MWp；分期建设，其中，一期0.498 MWp，二期3.128 MWp，三期8.973 MWp。

本项目中，一、二期光伏组件直接铺设在堆山斜坡上，目前斜坡坡度按40°考虑，斜面上年平均太阳辐射为5514 MJ/m2，由于垃圾填埋场每年会有沉降，最终沉降后坡度为23°，斜面上年平均太阳辐射为5441 MJ/m2；同时，在垃圾填埋场的西南角区域内(约布置光伏组件5900块)的光伏组件按照方位角30°考虑，该区域内坡度为40°时年平均太阳辐射为5367 MJ/m2，坡度为23°时年平均太阳辐射为5342 MJ/m2。本项目三期光伏组件按照最佳倾角35°进行布置，斜面上年平均太阳辐射为5528 MJ/m2，发电量计算时将以此为依据。

估算光伏系统上网电量，需在理论发电量的基础上进行折减。

4.1 光伏系统的效率

光伏系统在1000 W/m2太阳辐射强度下，实际直流输出功率与标称功率间的比值即为光伏系统效率。光伏系统在能量转换与传输过程中的损失包括：

1)组件匹配损失：对于设计优化、施工精细的系统，可考虑3%的损失。

2)最大功率点跟踪(MPPT)精度，取值3%。

3)粉尘污染损失：即组件表面尘埃遮挡损失，取值4%。

4)不可利用太阳辐射损失：即不可利用的低、弱太阳辐射损失，取值3%。

5)温度损失：温度影响额定输出功率，温度高于标准温度时额定输出功率下降，取值3%。

所以，综合以上各项因素，ηa=97%×97%×96%×97%×97%=85%。

4.2 直流侧输电效率

直流系统包括直流电缆、汇流箱、直流防雷配电柜、逆变器等。直流系统损失包括直流网络损失和逆变器损失。逆变器效率为98.5%，直流网络损失约为2.5%，故直流输电效率ηb=96%。

4.3 交流侧并网效率

即从逆变器交流侧输出至高压电网的传输效率，主要考虑升压变压器的效率及交流电气连接线路的损耗。本次测算ηc=98%。

4.4 系统总效率

系统的总效率为上述各部分效率的乘积，即：η=ηaηbηc=85%×96%×98%=80%。

4.5 衰减效率

光伏组件在光照及常规大气环境中使用会有衰减。本工程组件每年输出衰减按0.8%计算，最终得出本工程的25年发电量，如表3所示。

由表3可知，该光伏电站25年的年均发电量约为13867.03 MWh，年均等效利用小时数为1101 h。

表3 25年光伏电站逐年发电量统计表

5 结论

目前国内垃圾填埋气发电项目已很普遍，但光伏发电系统尚不多见，目前仅有上海老港垃圾填埋场设计有光伏发电站。本文从工程设计的角度介绍了北京六里屯垃圾填埋场光伏发电系统的设备选型、基础防沉降措施等设计思路，为今后已封场的垃圾填埋场光伏发电项目的建设提供了参考。

[1] 李雄， 徐迪民， 赵由才， 等. 生活垃圾填埋场封场后土地利用 [J]. 环境工程 ， 2006， 24(6)： 64 － 67．

[2] 王渡， 龚淼， 陈德珍. 垃圾填埋场封场后的太阳能光伏发电的应用和系统设计[J]. 太阳能学报， 2013， 33(1)： 60－65.

[3] 亢宇， 鲁安怀， 周平， 等. 北京市六里屯垃圾填埋场的粘土矿物学特征及其对苯的吸附研究[J]. 中国非金属矿工业导刊，2004， (1)： 34 － 37.

[4] 兰健， 杭世. 六里屯垃圾卫生填埋场工程设计[J]．给水排水，2003， (3)： 7 － 9.

[5] 胡敏云， 陈云敏. 城市生活垃圾填埋场沉降分析与计算[J].土木工程学报 ， 2001， (6)： 90 － 94.

[6] 薛祥， 葛虹， 乐园， 等. 垃圾填埋场地基沉降计算分析及相关问题探讨 [J]. 工程勘察 ， 2008， (增 2)： 17 － 20.

[7] 阎浩耘. 多组串逆变器在大型并网电站中的应用[J]. 企业技术开发 ， 2013， (9)： 32 － 33.