CN102664557A - 基于积水露天矿坑的太阳能光伏发电装置与设置方法 - Google Patents

Abstract

基于积水露天矿坑的太阳能光伏发电装置，包括承台化光伏组件、电气设备、环境检测仪、监控设备、电缆和逆变设备，其特征是承台化光伏组件包括浮筒构成水面漂浮承台及连接装置、承台固定与调节装置、光伏组件及支架；支架连接于浮筒之间，光伏组件安装在支架上，承台固定与调节装置是在矿坑边或中央建立基桩和桩承台并架设绳索，桩承台上装设绳索滑动构件。本发明解决了下述问题：（1）有效利用开发难度极大的露天矿坑积水水面；（2）有效解决了矿坑后续陆续塌陷区地质复杂带来的电站安装和使用寿命问题，（3）有效解决光伏电站建设中的集约化高效实施问题、后期维护等问题。

Description

基于积水露天矿坑的太阳能光伏发电装置与设置方法

技术领域：

本发明涉及太阳能光伏发电装置的设置方法与装置。

背景技术：

太阳能光伏发电装置已经广泛用于地面、屋顶，安装的太阳能发电系统已经成为人类应用能源的一个重要方面。地面、屋顶安装的太阳能发电系统通常不具有跟踪装置。

人类在采掘各类矿产（如煤炭、重金属等）的活动中，经常会形成面积广阔、深度可观的露天矿坑，因地形、水文地质等原因，这些露天矿坑往往会汇集大气降水、地下水、采掘活动产生的废水等各类水源后形成特定种类的人工湖，即露天矿坑积水。

位于矿区的露天矿坑积水水体中通常富含矿渣、重金属以及砷、镉、铜、锌、黄铁矿、硫酸等化学物质，表现为具有较强酸性的污水，水生物无法在该类水体存活，人类生活和工农业生产用水亦不能由此类水体获取。同时，露天矿坑积水还占用了大量土地，却无法产生任何效益。可见，露天矿坑积水已成为当前亟需解决的重大环境污染及土地占用问题。

发明内容：

 本发明目的是，为解决上述问题，特别是考虑到我国中东部地区可利用土地面积紧张、能源缺乏，却同时存在着大量无法利用的较大面积的露天矿坑积水的现状，提出基于积水露天矿坑的太阳能光伏发电装置与设置方法，将露天矿坑积水水面利用技术与太阳能（光伏、光热）发电技术相结合，设计出一种具备良好经济性和工程性的，基于露天矿坑积水的太阳能发电装置与设置方法，且本太阳能发电系统是具有跟踪装置的发电系统，可实现对露天矿坑积水水面面积和冷却效应的有效利用，输出清洁电力供生活和工农业生产使用，使得目前基本处于废弃状态的露天矿坑积水既能创造出发电的经济效益，又能创造出减少排放、保护环境的社会效益。

本发明目的是：针对已遭受污染的露天矿坑积水，提出能适用于此环境中的光伏发电方案，包括：安全、稳定、防腐、环境友好的水面漂浮承台及相关的互连接、电池安装、电缆连接等构件；适用于不同地理区域、气候环境、地质构造、面积和水质构成的露天矿坑积水水面光伏发电系统设计和实施方法。采用承台模式安装光伏组件，集装箱模式设计变配电房，在不同矿区或者同一矿坑不同区域分别不同方案的承台设计。

本发明的技术方案是：基于积水露天矿坑的太阳能光伏发电的设置方法，采用包括承台化光伏组件、电气设备、环境检测仪、监控设备、电缆和逆变设备，其特征是承台化光伏组件包括浮筒构成水面漂浮承台及连接装置、承台固定与调节装置、光伏组件及支架；支架连接于浮筒之间，光伏组件安装在支架上，承台固定与调节装置是在矿坑边或中央建立基桩和桩承台并架设绳索，桩承台上装设绳索滑动构件。

基于积水露天矿坑的太阳能光伏发电装置，包括承台化光伏组件、电气设备、环境检测仪、监控设备、电缆和逆变设备，其特征是承台化光伏组件包括浮筒构成水面漂浮承台及连接装置、承台固定与调节装置、光伏组件及支架；支架连接于浮筒之间，光伏组件安装在支架上，承台固定与调节装置是在矿坑边或中央建立基桩和桩承台并架设绳索，桩承台上装设绳索滑动构件。

承台设有随太阳方位角的变化而跟踪转动的装置。

浮筒材质采用压缩泡沫颗粒或浮筒为空心筒体（金属或塑料均可）。

基于积水露天矿坑的太阳能光伏发电装置，包括承台化光伏组件、电气设备、环境检测仪、监控设备、电缆和逆变设备，承台化光伏组件包括水面漂浮承台及连接装置、承台固定与调节装置、光伏组件及支架等构件；承台固定与调节装置是在积水矿坑的岸边建立基桩并架设绳索，基桩上装设绳索滑动构件；绳索滑动构件是：绳索穿过承台上的（滑动）槽孔，以消除无效漂浮移动。承台设有滑动槽孔以消除积水矿坑的水位小幅波动所致影响，桩基设有滑动构件以消除积水矿坑的水位大幅升降所致影响。

承台可随太阳方位角的变化而跟踪转动，可随矿坑积水升降而浮动升降，并能有效利用水面的温降特性提高光伏组件发电效率，从而实现提高单位组件面积发电量，并能自主适应矿坑积水水位变化。

承台调节装置是，基桩上装设绳索滑动构件中设有绳索卷绕驱动装置、通过电动或手动使不同位置的基桩上的绳索以变化的长度驱动承台，承台随太阳方位角的变化而跟踪转动。

第一种承台采用浮桶拼接组合而成，可以直接采购。第二种承台采用自行设计的水上光伏专用承台模具，生产专用漂浮承台，通过批量化生产降低模具设计成本。

浮桶材质采用压缩泡沫颗粒，浮桶和专用光伏承台模具硬链接部分可采用工程塑料，两种方案所有材料均为抗腐、防冻、抗氧化、抗紫外线的强化材质，不受露天矿坑重金属积水、化学品、药剂、油渍及（可能的）水生物的侵蚀；无污染、不破坏环境。承台具有高承载力，筒体平稳、耐久，造型专业，安装简易。设计充分考虑了其风荷载、30年一遇标准的大雪积压及其他相关标准，单个浮桶承载力和单个光伏专用承台承载力均有足够的裕度。

第一种承台可以采用陆地组装、整体下水方式，也可以采用先行局部安装下水，先下水部分作为后续安装的操作平台。第二种承台采用微模块化安装，完全根据施工现场需要配置。两种方案组装简易、快速、灵活、造型多样化，整体采用模块结构，可配合各种状况的需求，迅速更换平台造型。

承台的构造是：采用单组件模块化互联承台，构成专用水上光伏组件承台，此承台由多构件组合而成，通过工程塑料螺杆连接形成单一光伏组件安装模件化承台，根据光伏组件的尺寸规格实现调节组装；根据项目纬度和气候条件及光伏组件特性调节组件倾角；根据项目经济技术指标配置模件化承台组串，形成承台串。

本发明是将露天积水矿坑的有效利用和绿色能源的有机结合，适用于不同地理区域、气候环境、地质构造、面积和水质构成的露天矿坑积水水面光伏发电系统设计和实施方法。采用承台模式安装光伏组件，集装箱模式设计变配电房，在不同矿区或者同一矿坑不同区域分别不同方案的承台设计。本发明针对各种露天积水矿坑（包括遭受污染的露天积水矿坑），设计出能适用于此环境中的光伏发电方案。其核心要素包水上承台，承台采用多组件模块化单元承台，将多块太阳能光伏组件组装于模块化的单元承台。同一承台安装光伏组件的数量、倾角和电气设备设计等方式，可根据不同光伏组件选型和项目经济技术指标进行设置和配置。承台通过绳索（钢或不锈钢缆或链、尼龙绳等）连接于承台桩，同一个承台桩可连接多个承台。

承台化模块化之外的光伏组件电气设备、环境检测仪、监控设备、逆变设备为现有装置。

电气设备安装：上述两种承台方案均可采用集中式（集装箱可移动电气设备中心）和分散式（独立箱式分散在露天积水矿坑周围）安装，此两种安装方式通过承台桩和绳索来消除水位变化所致影响，从而解决电源离岸输送问题。采用无线通信技术实现数据采集和传输，从而便捷地实施运行监控、离岸诊断和数据维护。

本发明适用于露天积水矿坑环境中的太阳能光伏发电站系统方案，系统应用包括：电气设备、环境检测仪、监控设备、逆变设备等，以及光伏发电技术在露天矿坑中全领域的应用。

本发明的有益效果是：基于露天矿坑积水的太阳能发电装置，通过安全、稳定、防腐、环境友好的水面漂浮承台，设计具有跟踪装置的太阳能发电系统，以实现对露天矿坑积水水面面积和冷却效应的有效利用，输出清洁电力供生活和工农业生产使用，使得目前基本处于废弃状态的露天矿坑积水既能创造出发电的经济效益，又能创造出减少排放、保护环境的社会效益。本发明可有效利用目前分布广泛且废弃无用的露天矿坑积水水面，在不占用工农业用地的情况下，以较低的成本建设大规模太阳能光伏发电系统，输出清洁能源，提供生活和工农业用电，获得良好的社会和经济效益。

本发明提出适用于露天积水矿坑环境中的太阳能光伏发电站系统方案，包括：电气设备、环境检测仪、监控设备、逆变设备、承台化模块化光伏组件等，以及光伏发电技术在露天矿坑中全领域的应用，是节能减排的有益创新。本发明解决了光伏发电系统在露天矿坑积水环境中面临的下述问题：（1）有效利用开发难度极大的露天矿坑积水水面，解决该类环境光伏发电占用土地资源的问题。（2）有效解决了矿坑后续陆续塌陷区复杂地质环境带来的电站安装和使用寿命问题。（3）有效解决光伏电站建设中的集约化高效实施问题、后期维护的复杂技术及矿区塌陷不确定性问题。本发明的核心是露天积水矿坑的有效利用和绿色能源的有机结合，其核心要素包括：A.水上承台的设计；B.针对露天矿坑积水环境中光伏发电系统面临的问题提出解决方案。

本发明露天积水矿坑发电装置的经济性也很显著：土地使用零成本；露天矿坑发电系统变配电部分设备制造、土建工程和安装工程，均采用标准化方法，与地面光伏发电系统相比，降低了设计制造成本和管理成本。光伏承台加工工艺要求成熟，材质通用，造价经济，承台安装操作简单，后期维护费用低廉。

附图说明

图1是本发明光伏单元模块俯视图；

图2是本发明桩承台结构示意图；

图3是本发明侧面支架安装示意图；

图4是本发明桩承台与单元模块连接示意图；

图5是本发明应用例侧面支架安装示意图； 

图6是本发明固定电池板的卡槽示意图；

图7是本发明专用浮箱示意图。

浮筒1、水平面2、套环3、预埋杆4、钢缆5、桩6、桩承台7、单元模块光伏组件8、钢支架9。

具体实施方式：

露天积水矿坑太阳能光伏发电方案实施例：以下描述是对本发明“露天积水矿坑太阳能光伏发电装置与设置方法”的应用举例。本发明包含但不限于以下应用举例。

1) 光伏发电系统布置方式

本应用举例选用非晶硅薄膜太阳能电池（也可采用效率更高的单晶或多晶硅太阳能电池），单元模块共有108块光伏组件组成，单个光伏组件按照横向(光伏组件长边东西向布置)方式放置，竖向放置9块，串联连接成为一串，横向放置12个组串，最后连接到12进1出汇流箱。

以浮桶作为模块承台，南北方向均匀布置9个浮桶，浮桶横向放置，彼此间隔13cm；东西方向均匀布置25个浮桶，浮桶竖向放置，彼此间隔17cm，整体形成框型结构。相邻浮桶之间均设有光伏单元安装支架构成承台，承台之上支架是南侧低端80cm、北侧高端1350cm高度的支架，用以固定太阳能电池板，光伏单元模块安装倾角为10度-35度（太阳能电池板在不同的地理纬度有不同的倾角角度）。

承台固定装置可以在每个单元模块四周布置多桩用以固定承台，图4是承台固定装置，主体由混凝土构成的桩和桩承台，并在一侧设置防水防腐蚀的预埋杆，并利用套环、绳索与单元模块中的型钢进行连接，由绳索连接浮筒，浮桶之间均设有光伏单元安装支架构成承台随水面涨落可上下浮动。浮桶之间均设有光伏单元安装支架可以是纵向的，也可以是横向的，或者是横向、纵向并列使用。

当设计单元模块光伏组件总容量为4968Wp，共用浮桶68个，每个按70元计，需要花费4760元，则浮桶投资约为每千瓦958元。假设本装置发电容量为500kW，选用一台500kW逆变器，则整个系统共有100个单元模块彼此连接组成，有1200组串光伏组件，需要100个汇流箱，为了接线简单，减少线缆用量，降低施工复杂程度，若干个汇流箱可以进行二次汇流，然后接入逆变器。

2）另一实施例：在光伏模块两侧和彼此之间设置浮桶作为光伏模块承台，东西方向每行均匀布置11个浮桶，浮桶竖向放置，彼此间隔70cm，通过钢架形成整体结构。承台之上铺设南侧低端80cm、北侧高端1050cm高度的支架，用以固定太阳能电池板，每块太阳能电池板安装倾角为10度，每行间间隔40cm。

光伏系统单元模块俯视图见图1-2，侧面截面支架安装示意图见图3-4。

模块固定方式同应用上述实施例，在每个光伏单元模块四周布置多桩承台，承台主体有混凝土构成，并在一侧设置防水防腐蚀的预埋杆，并利用套环、钢缆绳索与单元模块中的型钢进行连接，随水面涨落可上下浮动。

如设计单元模块光伏组件总容量为6624Wp，共用浮桶1为99个，每个按70元计，需要花费6390元，则浮桶投资约为每千瓦1046元。假设本例发电容量为500kW，选用一台500kW逆变器，则整个系统共有75个单元模块彼此连接组成，有1200组串光伏组件，需要75个汇流箱，为了接线简单，减少线缆用量，降低施工复杂程度，若干个汇流箱可以进行二次汇流，然后接入逆变器。总容量为9×16×75×46Wp = 496800Wp。

3）本应用举例选用多晶硅太阳能电池，单元模块共由20块光伏组件组成，单个光伏组件按照竖向(光伏组件长边南北向布置)方式放置，横向放置20块串联连接成为一串，一串即为一个单元模块。11个单元模块组成模块组，最后连接到12进1出汇流箱。光伏组件连接示意图见图1光伏组件布置示意图。

浮桶竖向放置，两个浮桶之上架设一块太阳能电池板（光伏组件），电池板呈30度倾角，低端固定于卡槽之内，通过型钢固定于南侧浮桶之上，高端通过90cm支架连于北侧浮桶之上。每个单元模块南北间距至少间隔2m之上，通过圆形钢材进行柔性连接。光伏系统单元模块俯视图见图1，侧面支架安装示意图见图5，卡槽示意图见图6。

模块固定方式见桩承台，在每个单元模块东西两侧布置多个桩承台，桩承台主体有混凝土构成，并在一侧设置防水防腐蚀的预埋杆，并利用套环、绳索与单元模块中的型钢进行连接，随水面涨落可上下浮动。

单元模块光伏组件总容量为4600Wp，共用浮桶为40个，每个按70元计，需要花费2800元，则浮桶投资约为每千瓦609元。

假设本项目发电容量为500kW，选用一台500kW逆变器，则整个系统共有110个单元模块彼此连接组成，有110组串光伏组件，需要10个汇流箱接入逆变器。

总容量为20×11×10×230Wp = 506000Wp。

如果水面不大，也可以在水坑的四角设有四个桩承台，在这四个较大的桩承台固定所有的光伏系统单元模块，这样安装成本更低。

 4）本例选用非晶硅薄膜太阳能电池，光伏单元的电池板长边侧放置于凹槽式浮箱的凹槽内，通过螺栓固定，电池板可以调节倾角。此例中每块电池板为独立结构，可以根据水域形状和设计要求，彼此通过浮箱对角连接耳连接，组合拼装成不同面积大小的的发电系统，不同于以上三种应用举例中若干块电池板通过钢架固定于浮桶承台之上，不再拘泥于固定大小的模块。

凹槽式浮箱见图7。下半部分为浮筒结构，中间有两个竖直圆孔设计，用于放置圆杆以便固定两个浮箱的距离，四个边角部位有对角连接耳；凹槽式浮箱的上半部分设有放置光伏单元的电池板长边侧凹槽，凹槽在一侧方向开槽，槽的顶端有（三个）固定螺栓，用于固定电池板；浮箱长度可以根据电池板尺寸进行专门定制。

Claims (9)

1.基于积水露天矿坑的太阳能光伏发电装置，包括承台化光伏组件、电气设备、环境检测仪、监控设备、电缆和逆变设备，其特征是承台化光伏组件包括浮筒构成水面漂浮承台及连接装置、承台固定与调节装置、光伏组件及支架；支架连接于浮筒之间，光伏组件安装在支架上，承台固定与调节装置是在矿坑边或中央建立基桩和桩承台并架设绳索，桩承台上装设绳索滑动构件。

2.根据权利要求1所述的基于积水露天矿坑的太阳能光伏发电装置，其特征是承台设有随太阳方位角的变化而跟踪转动的装置。

3.根据权利要求1或2所述的基于积水露天矿坑的太阳能光伏发电装置，其特征是所述承台调节装置是，基桩上装设绳索滑动构件中设有绳索卷绕驱动装置。

4.根据权利要求1或2所述的基于积水露天矿坑的太阳能光伏发电装置，其特征是浮筒材质采用压缩泡沫颗粒或空心筒体。

5.根据权利要求1或2所述的基于积水露天矿坑的太阳能光伏发电装置，其特征是第一种承台可以采用陆地组装、整体下水方式；或采用先行局部安装下水，先下水部分作为后续安装的操作平台。

6.根据权利要求1或2所述的基于积水露天矿坑的太阳能光伏发电装置，其特征是承台的构造是：多个浮筒子构件组合而成，通过工程塑料螺杆连接形成单一光伏组件安装模件化承台，形成承台串。

7.根据权利要求1或2所述的基于积水露天矿坑的太阳能光伏发电装置，其特征是在坑的四角设有四个桩承台，在这四个较大的桩承台固定所有的光伏单元模块。

8.根据权利要求1或2所述的基于积水露天矿坑的太阳能光伏发电装置，其特征是凹槽式浮箱的结构是，下半部分为浮箱结构，浮箱中间有两个竖直圆孔，浮箱的四个边角部位有对角连接耳；凹槽式浮箱的上半部分设有放置光伏单元的电池板长边侧凹槽，凹槽在一侧方向开槽，槽的顶端有固定螺栓。

9.基于积水露天矿坑的太阳能光伏发电的设置方法，采用包括承台化光伏组件、电气设备、环境检测仪、监控设备、电缆和逆变设备，其特征是承台化光伏组件包括浮筒构成水面漂浮承台及连接装置、承台固定与调节装置、光伏组件及支架；支架连接于浮筒之间，光伏组件安装在支架上，承台固定与调节装置是在矿坑边或中央建立基桩和桩承台并架设绳索，桩承台上装设绳索滑动构件。

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