民航機場開發太陽能資源的前景分析

徐暉

【摘 要】我國政府對開發新能源高度重視，從“十一五”規劃中就明確鼓勵新能源發電和節能項目的發展，到2015年可再生能源發電量爭取達到總發電量的20%以上。民航機場作為能耗大戶，除保障航班正常運行的責任外，還應充分利用機場占地面積大的優勢，在航站樓、貨站的屋頂和飛行區周邊的地面等處建設太陽能光伏電站，積極發展可再生替代能源，以滿足民航市場增長的需要。

【關鍵詞】機場；跑道；光伏電站

綠色機場，即節約、環保、科技、人性化的機場，是指在機場設施的全生命周期（選址、規劃、設計、建設、運營維護及報廢、回用過程）內，充分利用最新的科學技術成果，以高效率地利用資源（能源、土地、水資源、材料）、最低限度地影響環境的方式，建造最低環境負荷下最安全、健康、高效及舒適的工作與活動空間，促進人與自然、機場環境與發展、建設與運行、經濟增長與社會進步相平衡的機場體系。早在2010年2月發布的《建設民航強國的戰略構想》中，民航局即提出推動“節約、環保、科技和人性化“綠色機場建設。要求民航機場積極探索清潔能源的應用，采用低排放、可再生替代能源，滿足民航市場需求增長的需要，提升能耗效率。今年6月13日，習近平總書記在中央財經領導小組第六次會議中，專門就推動能源生產和消費革命提出了五點要求。其中，新能源發展是能源生產和消費革命的核心內容，新能源利用在能源消費總量中比重的高低，是衡量能源生產和消費革命成效的重要尺度。在此背景下，作為占地廣闊，年耗能巨大的民用航空運輸機場，如引入分布式太陽能電站，既符合我國21世紀可持續發展能源戰略規劃，也是發展循環經濟模式，建設和諧社會的具體體現。同時，對推進民航機場的太陽能利用及光伏發電產業的發展進程具有非常大的意義。

1 適于建設太陽能電站的機場分布分析

并非所有機場均適合太陽能電站的建設，太陽能電站的分布與當地區域的太陽能資源密切相關。根據2014年底發布的全球機場利用太陽能裝機容量的十強排名：我國深圳機場位列第一，裝機容量20MW，接下來依次為：馬來西亞吉隆坡機場、美國科羅拉多州丹佛國際機場、希臘雅典國際機場、美國費尼克斯天港國際機場、中國上海虹橋機場、日本東京羽田國際機場、美國加利福尼亞州弗雷斯諾機場、上海浦東國際機場、美國夏威夷機場，裝機容量自19MW至779KW不等。如在平鋪的世界地圖上圈出上述機場的地理位置（見圖1），可得出一個顯著的結論：上述機場均分布在赤道兩側太陽能資源豐富的區域，且均為具有兩條或多條跑道的大型機場，自身耗能較大，存在節能減排的迫切需求。

圖1 全球太陽能裝機容量較大的機場分布

中國太陽能資源非常豐富，理論儲量達每年17000億噸標準煤，除去受盆地、山區影響的四川、貴州、湖南、湖北、廣西、江西、江蘇北部等區域外，其余地區的太陽能資源均在三類及三類以上，太陽能資源開發利用的潛力非常廣闊。各地機場均有規模不等的閑置土地，如能有效利用如建設光伏電站，則將極大推動清潔能源在民航領域的推廣應用。以上海兩大機場為例，根據上海寶山氣象站15年來的平均數據：上海全年日照時數1717.7小時，輻射量在4526.6MJ/m2，屬三類地區，資源較豐富，適合建設并網及分布式發電項目。

2 太陽能發電的技術成熟度

太陽能發電是一項成熟技術，全球已有數千家廠商提供技術方案，其主要優勢在于：太陽能資源沒有枯竭危險，且資源分布廣泛，受地域限制??；太陽能電池主要的材料—硅，原料豐富；無機械轉動部件，沒有噪聲，穩定性好；維護保養簡單，維護費用低。

3 機場內太陽能電站的選址要求

目前全球已經在機場周邊（1公里范圍內）或在機場內建筑上建有光伏電站的案例除上述外，還有新西蘭納爾遜機場、德國杜塞爾多夫機場、印度德里機場、新疆哈密、庫爾勒、吐魯番機場、無錫碩放機場、北京首都機場、?？诿捞m機場等等，運行多已超過1年，所建光伏電站的位置有如下特點：

3.1 安裝位置一般位于屋頂或飛行區地面

民用機場內按功能分為飛行區、航站區及場區。從目前已安裝太陽能光伏電站的機場來看，除跑道兩側升降帶范圍用于飛機緊急狀況之用外，其它區域如滑行道旁（日本關西、日本富士山、馬來西亞吉隆坡）、航站樓或貨運倉庫屋頂（上海虹橋、浦東、深圳、無錫、首都機場）、跑道遠端（美國丹佛、印第安納波利斯）均適于安裝太陽能光伏組件。依據機場的占地大小和大型建筑物屋頂的結構形式，也有越來越多的機場采用見縫插針的方式建設分布式光伏電站，總裝機容量高達10MW以上。

3.2 組件安裝位置一般結構穩定

光伏面板每塊大小一般為1.6m*1.2米，每塊重約2-300公斤，其所處安裝位置應有穩定的結構以支撐面板長期、穩固的放置，故如在屋頂放置光伏面板還需對屋頂進行結構加固，如放置在地面上，則所處地塊在區域構造上應屬基本穩定區域，地面應碾壓密實，適宜在其上安裝各類支撐架等設施并布放匯流排、逆變器等直流采集、轉換設備。

4 太陽能電站對機場安全運行的影響分析

4.1 光反射的影響分析

光伏電站由太陽能采集設備（光伏組件）、電能采集（匯流排）、電能轉換（逆變器）、升壓器等設備組成。其中占地最大、爭議最多的莫過于光伏面板了。按照電站的規模，規模越大，面板數量越多，以20MW為例，其采用的光伏面板總數可達7.8萬塊，每塊尺寸為1.6*1.2米。

4.1.1 太陽能光伏組件材質對陽光的反射性能分析

光伏組件是由高透光率低鐵鋼化玻璃（又稱超白光伏玻璃）、抗老化EVA膠膜、晶體硅電池片和由氟塑料、滌綸復合而成的TPT背膜組成，如下圖所示。其中高透光率低鐵鋼化玻璃位于整個組件的最上層，即為反光的主要部分。因玻璃和EVA膠膜透明，電池片不透明，電池片表面也具有一定的反光特性，電池片與組件表面的玻璃的反光量之和決定了光伏組件的整體反光特性。

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光伏組件玻璃的厚度為一般5～10mm，為增加光線的入射量，表面呈絨狀，面板還涂布一層含納米材料的薄膜以增加面板的透光并有利面板的自潔，為提高太陽能的光電轉換率，面板玻璃的透光率要求在95%以上，玻璃表面對太陽直射光線的總反射量小于5%，且光譜響應的波長范圍為320～1l00nm，只對大于1200nm的紅外光有較高的反射率。

由上所述，太陽能光伏組件表面超白玻璃的透射比遠大于反射比，而且反射的光線主要以漫反射形式存在，造成的平行光反射導致的刺眼現象完全不存在。對于高空的觀察者，無論陽光強度如何，從何角度觀察，地面上的光伏方陣都呈暗淡的深色，與普通深色建筑瓦片效果相當。目前為止全球范圍內已建的機場光伏電站均未收到有關眩光的反映。

4.1.2 光伏組件反射光對起降航空器的影響分析

雖然光伏組件玻璃的反射光強度遠低于入射光線的強度，但其反射光線仍可能到達正對光伏組件起降的航空器駕駛員眼中并造成眩光。為避免此類情況，應盡量避免光伏組件的安裝角度接近平行于航空器下滑角以產生前述的平行光，還應根據當地的氣象條件對太陽光的反射情況進行進一步分析。以下以浦東機場為例予以分析：

1）背景

浦東機場位于東海之濱，占地40平方公里，具備開發太陽能資源的有利條件。在其一、三跑道南側有一未開發地塊適合建設光伏電站，該地塊最近位置距一、三跑道南端入口1400米，見圖4。

圖4 擬建光伏電站與跑道相對位置

2）太陽高度角與反射角

太陽高度角的定義：對于地球上的某個地點，太陽高度角是指太陽光的入射方向和地平面之間的夾角（見圖5）。

圖5

上海地區太陽高度角分析：上海地區緯度為31.23°，冬至日（每年的12月22日）時太陽的高度角最小，其值為：35.34°，此時太陽光線的反射角為94.7°（見圖6）。

圖6 冬至日的太陽光線的入射角和反射角

夏至日（每年的6月22日）時太陽的高度角最大，其值為：82.2°，此時太陽光線的反射角為47.8°（見圖7）。

圖7 夏至日的太陽光線的入射角和反射角

3）太陽光反射角與下滑角的關系

由前圖可知，一年中太陽光線的反射角在 47.8°到 94.7°之間變化（圖8）。根據機場航行資料所知：一、三跑道的下滑角為3°，即飛機降落的軌跡與地面的夾角為3°，飛機沿下滑角進近過程中（下滑線參照圖9中白色粗線），飛行員垂直向下的可視角度是20°（根據飛行員手冊，正常情況下人眼的水平可視角度是120°，垂直可視角度是60°）。此時反射光將照射在飛機鼻尖部，并不會直接照射到飛行員的眼睛位置。

圖8 太陽光反射角47.8°-94.7°

圖9 飛機沿3°下滑角下滑

4）結論

即使在假定的極端條件下，即：忽略大氣層對太陽光線折射的影響；光伏面板對太陽光全反射；太陽能電池板與地面夾角為25°（該角度使得光伏面板對與太陽光的吸收最有利），太陽光反射光線也只照射到飛機的翼尖位置，不會對朝向一、三跑道進近的航空器駕駛員造成眩光等影響，不會影響到飛行員的可視范圍。

4.2 光伏電站現場設備結構穩定性分析

光伏發電系統的組成見下圖，除光伏組件外，其余均為通用型電氣設備，均已在機場范圍內大規模安裝應用，因此，需特別關注光伏組件的安裝：光伏組件數量較多，動輒以萬計，組件的安裝是否穩固，直接影響著系統的安全穩定運行。安裝在屋頂上的組件除牢固與支架固定外，還需對原屋面進行結構加固并取得專業結構工程師的認定。安裝在機場飛行區內靠近跑道、滑行道的地面電站的光伏組件尤其需注意支架的穩固性，以防被風吹落或吹散造成飛行安全隱患，目前落地安裝的光伏組件一般采用鉆孔灌注樁基礎。就支架系統的穩固性作一分析：

圖10 光伏發電系統的組成

4.2.1 光伏組件支架系統設計參數

風荷載：0.25kN/m2；電池板重量：0.12kN/m2；固定支架傾角：25°。

4.2.2 支架系統主要材料選用

主梁、次梁、斜撐均采用冷彎薄壁C 形鋼，立柱采用方鋼管。立柱端板、主次梁連接件采用熱軋鋼板。鋼材表面均采用熱鍍鋅防腐，鋼材牌號為Q235B。電池板壓碼為鋁合金件。連接螺栓為M4.6 級普通螺栓。

4.2.3 支架基礎

支架基礎采用混凝土鉆孔灌注樁基礎，埋深為3.0m，露出地面0.3m，樁長3.3m，樁徑300mm。樁身混凝土強度等級為C30，其內配7φ10縱筋，箍筋采用螺旋鋼筋φ8@200，鋼筋采用HPB300級（見圖11）。

圖11 支架安裝圖

4.2.4 穩定性分析結論

上述支架系統一般應用于場址地面下無液化土層的較穩定區域，且樁基周圍無淤泥，否則應根據物探報告進行必要的深層地基處理?？癸L能力：支架系統可抵抗12級臺風（最大平均風速32.7-41.4米/秒）的吹襲。

4.3 電磁干擾的影響分析

按照中國民航對電磁環境保護區的定義，電磁環境保護區域由二部分組成：一部分是距跑道端部500米，跑道中心線延長線兩側各500米范圍內組成的無線電臺電磁環境保護區，該區域范圍較??；另一部分為飛行區電磁環境保護區，范圍為以跑道入口為圓心13千米為半徑的弧和與兩條弧線相切的跑道的平行線圍成的區域（以4D級單跑道為例）。二部分區域之和基本涵蓋了機場的飛行區、航站區和場區，要求在該區域內不得有影響電磁環境的任何活動。

以地面光伏電站為例，系統的主要組成部件有：太陽能組件（電池板）、匯流箱、逆變器、升壓變壓器等。其中，變壓器為常見電氣設備，太陽能組件作用僅為光電轉換，而匯流箱僅用于電纜傳輸之用，可見可能產生電磁輻射干擾的設備只能是逆變器。

為確認光伏電站是否會對機場電磁環境造成影響，我們委托國家繼電保護及自動化設備質量監督檢驗中心—中國開普實驗室對常用的三相500KW容量的逆變器進行了安全檢驗和電磁兼容檢驗，依據“并網光伏發電專用逆變器技術條件”對逆變器的輸出效率、電流諧波總畸變率、功率因素、溫升試驗、絕緣阻抗等項進行了檢驗；依據“GB/T 17626、GB17799”對逆變器的靜電放電抗擾度、射頻電磁場輻射抗擾度、工頻磁場抗擾度、輻射發射限值等進行了檢驗。各項指標均符合檢驗依據的要求，判定結果均為：合格。故逆變器也不會對機場范圍的電磁環境造成影響。

5 結束語

通過對太陽能光伏發電系統的光反射影響分析、結構穩固性分析、電磁干擾影響分析可知，太陽能光伏電站的建設不會對機場運行安全造成影響，只需進行適當的安全評估，光伏組件可以在除跑滑及升降帶以外的區域進行安裝，太陽能資源的利用在機場內大有可為。

隨著太陽能的普及與成本的降低，其在節能減排方面充當著越來越重要的作用，作為24小時不間斷運行的能耗大戶——機場，除了通過其他減排手段來降低能耗之外，最常用的就是建設太陽能發電項目了。開發新能源是我國能源發展戰略的重要組成部分，太陽能資源的開發利用是我國能源發展戰略和調整電力結構的重要措施之一。光伏發電的建設，符合我國能源發展戰略的需要，民航機場應充分利用機場占地面積大的優勢，積極開發利用太陽能資源，逐步提升新能源在總能耗中的比重，適應未來機場的發展趨勢。

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[責任編輯：湯靜]