基于模糊層次分析法的太陽能系統(tǒng)在封場后填埋場的應(yīng)用

王 渡，江劍明，陳德珍

(1.上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090;2.同濟(jì)大學(xué) 熱能與環(huán)境工程研究所，上海 200092)

填埋法是最早對垃圾進(jìn)行處理的方法之一.到目前為止，在中國有成百上千座垃圾填埋場，它們分布在許多城市的周圍，占用了大量的土地.如果不對封場后的垃圾填埋場進(jìn)行合理規(guī)劃，將會導(dǎo)致城市土地使用的緊張和混亂.自1999年以來，中國的城市固體廢棄物填埋場的數(shù)量已經(jīng)從549座減少到409座.因此，在過去的10多年里，至少有140座左右的垃圾填埋場被關(guān)閉封場，[1-4]這意味著有數(shù)十萬畝的土地可以被再利用.

隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，對于土地的需求也在日益增加，而封場后垃圾填埋場的土地的潛在價值被逐漸開發(fā)利用.然而我國對于封場后垃圾填埋場的土地和資源利用的研究只是最近幾年才展開，且大部分研究的重點(diǎn)集中于理論思想和觀點(diǎn)，部分研究還只是處于實(shí)驗(yàn)室階段.[5-7]近年來，在封場后垃圾填埋場上也有了幾個工程應(yīng)用的案例，大部分是植被復(fù)耕方案.由于政府鼓勵對包括封場后垃圾填埋場在內(nèi)的土地進(jìn)行再利用，若在這些地區(qū)安裝可再生能源裝置將會受到歡迎.

在封場后垃圾填埋場安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)有3個重要的優(yōu)勢:一是封場后垃圾填埋場可以提供上萬畝的空閑土地用于太陽能系統(tǒng)的安裝，而這些土地在近期是無法用于商業(yè)開發(fā)的;二是封場后的填埋場具有更低的土地交易成本;三是在閑置土地上發(fā)展清潔的太陽能發(fā)電系統(tǒng)可以減輕在其他地方安裝清潔能源的壓力.

本文針對封場后垃圾填埋場上太陽能發(fā)電系統(tǒng)，從技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)3個方面進(jìn)行研究，通過模糊層次分析法建立了封場后垃圾填埋場上太陽能發(fā)電系統(tǒng)的決策模型.

1 模糊層次分析法

層次分析法是在20世紀(jì)70年代由美國學(xué)者首先提出的，[8-10]它是一個實(shí)踐性很強(qiáng)的分析決策模型，將定性和定量的分析結(jié)合在一起.用層次分析法作系統(tǒng)分析時，首先將問題層次化，根據(jù)問題的性質(zhì)和要達(dá)到的總目標(biāo)，將問題分解為不同的組成因素，然后按照因素間的相互關(guān)聯(lián)影響以及隸屬關(guān)系將因素按不同層次聚集組合，形成一個多層次的分析結(jié)構(gòu)模型.最終將系統(tǒng)分析歸結(jié)為最底層(供決策的方案)，相對于最高層(總目標(biāo))的相對重要性權(quán)值的確定或相對優(yōu)劣的排序問題.此外，該方法對于解決目標(biāo)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜且所需數(shù)據(jù)缺乏的決策問題十分有效，因此該方法日益得到廣泛的重視和使用.但在遇到不確定性和模糊性因素較多的問題時，層次分析法很可能受到?jīng)Q策者主觀判斷的影響，與實(shí)際情況偏差較大.

針對上述問題，本文提出采用基于三角模糊數(shù)的層次分析法來評價封場后垃圾填埋場的太陽能利用系統(tǒng)，對判斷矩陣的各元素進(jìn)行模糊化，使所得結(jié)果更符合實(shí)際.

根據(jù)層次分析法建立階梯層次結(jié)構(gòu)后，目標(biāo)層與準(zhǔn)則層元素的隸屬關(guān)系就已確定.決策者依據(jù)確定評價指標(biāo)的判斷矩陣，對因素x1和 x2的重要性進(jìn)行比較，一般使用9點(diǎn)的比例標(biāo)度來對比較后的重要性進(jìn)行賦值.其中，1，3，5，7，9 分別表示相同重要、明顯重要、相當(dāng)重要、強(qiáng)烈重要和極端重要;而2，4，6，8為上述相鄰判斷的中值.

令aij為模糊判斷矩陣中第i個評價準(zhǔn)則相對第j個評價準(zhǔn)則的重要程度值，用aij=(l，m，u)表示，反之，aij－1=(1/u，1/m，1/l)，構(gòu)造模糊評判矩陣A=(aij)n×n.

考慮決策問題的復(fù)雜性、個人喜好、語言判斷的模糊性和不確定性等因素，認(rèn)為評價指標(biāo)的判斷矩陣皆為模糊信息，其判斷結(jié)果在一定的模糊程度內(nèi)是一個重要度等級范圍，因此基于表1對判斷矩陣進(jìn)行模糊化處理.表1中，λ為每次判斷的模糊度等級(取λ=1，2)，本文取λ=1.

表1 判斷矩陣元素模糊化的前后對照

利用三角模糊數(shù)的相關(guān)定理可確定相關(guān)指標(biāo)的權(quán)重值.在構(gòu)造的模糊判斷矩陣中，指標(biāo)Si表示模糊判斷矩陣中第i個評價準(zhǔn)則相對其他所有準(zhǔn)則的綜合重要程度值，其表達(dá)式為:

設(shè)S1=(l1，m1，u1)和S2=(l2，m2，u2)是兩個三角模糊數(shù)，V(S1≥S2)表示三角模糊數(shù)S1≥S2的可能程度，V(S≥S1，S2，S3，…，Sn)表示三角模糊數(shù)S大于等于n個三角模糊數(shù)Si的可能程度，令d＇(C i)表示一個指標(biāo)C i優(yōu)于其他準(zhǔn)則的純測量度M，則有:

于是，可得所有準(zhǔn)則的權(quán)重向量為:

經(jīng)過歸一化處理，可得每個準(zhǔn)則的歸一化權(quán)重值為:

2 項目分析

2.1 構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)

本文將分析層次模型分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和項目層3個層次，如圖1所示.將封場后垃圾填埋場上最合適的太陽能系統(tǒng)作為目標(biāo)層，包括環(huán)境因素、技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)效益在內(nèi)的3個評估因素作為準(zhǔn)則層.項目層被分為多晶硅太陽能光伏系統(tǒng)、柔性薄膜太陽能光伏系統(tǒng)和碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)[11-15]3個具體的方案.

圖1 層次模型結(jié)構(gòu)示意

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

在工程應(yīng)用中，技術(shù)方面需要考慮設(shè)備的安裝以及安全可靠性，而整個太陽能發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益問題對系統(tǒng)整體方案的確定影響最小.因此，構(gòu)造判斷矩陣如下:

在經(jīng)濟(jì)性分析中需要考慮太陽能系統(tǒng)的投資成本和運(yùn)行成本.在3個方案中，碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的投資成本和運(yùn)行成本最大，而柔性薄膜太陽能光伏系統(tǒng)的成本最小.不同權(quán)重由成本來決定，故判斷矩陣如下:

技術(shù)條件的評估主要考慮效率、風(fēng)載、雨雪等因素.多晶硅太陽能光伏系統(tǒng)的效率高于柔性薄膜太陽能光伏系統(tǒng)，但抵御風(fēng)雪的能力較差.根據(jù)綜合評估得出判斷矩陣如下:

環(huán)境因素分析主要與支撐系統(tǒng)的重量、陰影、滲濾液等因素有關(guān).柔性薄膜太陽能光伏系統(tǒng)的重量最輕，而且它所帶來的環(huán)境影響也最小.根據(jù)綜合分析得出判斷矩陣如下:

2.3 目標(biāo)層權(quán)重計算

以矩陣A為例，說明權(quán)重的求解過程.

根據(jù)式(1)，計算B1層的綜合重要程度:

同理，可以得到

因此，根據(jù)式(2)、式(3)和式(4)，可以分別計算得到:

同理:

計算可得W'=[0.5，0.75，1]，經(jīng)歸一化處理，W=[0.223，0.333，0.444].同理，可以求得各個項目層與目標(biāo)層的權(quán)重值，見表2.

表2 太陽能系統(tǒng)應(yīng)用權(quán)重

2.4 3個方案的排序結(jié)果

根據(jù)表2計算可以得到3個方案的結(jié)果，多晶硅太陽能光伏系統(tǒng)為0.22，柔性薄膜太陽能光伏系統(tǒng)為0.51，碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)為0.21.

根據(jù)上述分析，在封場后垃圾填埋場上建立太陽能系統(tǒng)方案的排序結(jié)果為:柔性薄膜太陽能光伏系統(tǒng)＞多晶硅太陽能光伏系統(tǒng)＞碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng).由此可見，柔性薄膜太陽能光伏系統(tǒng)最適合在封場后垃圾填埋場上應(yīng)用.

3 結(jié)語

模糊層次分析法能夠克服傳統(tǒng)層次分析法的局限性，使權(quán)重的客觀性和準(zhǔn)確性得到更好的保證，對不同方案的定性問題進(jìn)行定量分析.本文從環(huán)境、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)3個角度，通過模糊層次分析法對封場后垃圾填埋場上布置太陽能系統(tǒng)的方案決策建立了模型.3個方案的結(jié)果分別為 0.22，0.51，0.21.由結(jié)果可知，在封場后垃圾填埋場上最適合采用柔性薄膜太陽能光伏系統(tǒng).

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