光伏發電在助航燈光領域應用的前瞻性分析

張之利 楊權應 張羽舟

（1.北京京航安機場工程有限公司，北京 100176；2.山東省實驗中學，山東濟南 250109）

0 引言

世界各國機場目視助航燈光系統采取的都是基于調光器恒流供電的方式，系統成熟穩定，但建設成本巨大，運營、維護及不停航施工改造成本也非常高，而且主回路一次線纜容易出現絕緣下降導致一點或多點接地的故障[1]，對機場助航燈光系統正常運營影響很大。

通過采用成熟且成本低廉的光伏發電方式，利用4G無線通信技術實現智能遠程控制，在無需燈光站調光柜及一次電纜等傳統供電設施情況下，同樣能實現飛行區現行規范標準要求的所有助航燈具的發光性能。而智能遠程光伏供電系統裝置具備物聯網功能，建設投資成本低，模塊化設計，施工簡便，使用免維護，綠色節能，特別適合應用在機場的空闊無遮擋環境，尤其在光照資源豐富地區的新建支線機場，應首先推廣應用這一新型的助航燈光系統裝置，對軍用機場、偏遠山區、海島機場、一般通用機場也具有特別的使用價。

1 技術方案

新型助航燈光系統裝置包含兩部分內容，一是智能遠程控制系統，二是光伏發電供電系統。下面對于這兩部分內容予以詳細介紹。

1.1 智能遠程控制系統

監控指揮中心智能管理系統通過4G通信技術與太陽能供電系統的控制器遠程通信控制，對助航燈具進行遠程監測、實時監控。支持遠程開關燈/調光及蓄電池、負載參數修改。實時監控太陽能板電壓、電流、功率、蓄電池充放電電流、電壓、負載工作狀態、控制器工作狀態等數據以及故障自動報警[2]。監控指揮中心對接收到的數據信息進行處理分析計算整合處理供用戶查詢決策使用，從而完成對助航燈光系統的監管維護。

1.2 光伏供電系統

光伏供電系統包括光伏太陽能板、立桿、蓄電池、控制器等結構部分，光伏供電系統結構示意圖如圖1所示。結構部分功能要求如下。

（1）光伏電池板可選擇反光率低的單晶硅、多晶硅或者柔性薄膜材質，面板材質、功率、尺寸、規格固定統一標準模塊化，便于擴展。

（2）支撐立桿采用易折件，可選擇由一根或幾根加強抗風強度。

（3）蓄電池放在基礎空倉內，設置上蓋便于開啟，方便以后更換，蓄電池與電池板連線接口統一，防水防潮，便于插拔。

（4）控制器負責控制并監控蓄電池、光伏組件、燈具負載等電氣設備，燈具可“光控+時控+編程控制+手動控制”，燈具依靠電流輸出實現五級燈光調節，并與遠程監控中心數據互通。

（5）可利用傳統二次管線為嵌入式或者立式、一個或者多個燈具供電，解決一體式光伏燈發電儲電能力不足的問題。

2 太陽能供電系統供電能力分析

因為是光伏供電，暫不考慮市電互補的情況下，必須計算系統電池板蓄電池容量配置所能滿足的陰雨天數，以判斷是否滿足實際的持續用電需要。

假設以某地區飛行區的滑行道邊燈試舉例計算，以某燈具廠家燈具功率為3 W（目視助航共計五級調光，一級調光耗電大約是五級的18%）為例，光源電器耗電0.8W，總計3.8W左右，每天亮燈8h，按照該地區最差月峰值日照時數4個小時計算，系統配置的電池板為8h×3.8W×1.5（充電系數）/4h/0.9（效率）/0.9（冗余系數）≈15W。蓄電池設計的容量以滿足連續5個陰雨天計算，容量為15AH。在該機場用15W的電池板配上15 AH的蓄電池，可供該燈具廠家3W的滑行道邊燈，按五級調光每天工作8h，并能確保連續供電5個陰雨天。一級調光耗電大約是五級的18%（五級調光電流值平方比值）[3]，如果僅僅按一級光調光亮燈，那么可以供每晚亮燈8h連續30個陰雨天使用。這個數據是可以滿足支線機場和通用機場正常運營需要的。

現在計算功耗較大的跑道入口燈供電配置，LED光源功率24W（含電器）計算，系統配置的電池板為90W，蓄電池70AH，可供跑道入口燈按五級調光每天工作8h連續5個陰雨天使用。同上，如果僅僅是按一級光調光亮燈，那么可以連續30個陰雨天亮燈使用[2]。為方便量化生產施工維護方便，電池板、蓄電池可按統一規格模組化設計。由于跑道入口、末端、翼排燈等位置比較集中，可以在附近稍遠的土面區域安裝較大配置的光伏供電系統集中統一供電，對于成本控制使用管理更加方便。

3 系統適用性分析

3.1 無線通信的可靠性分析

受極端天氣或者天文射線（如太陽黑子）影響，無線通信傳輸會受到一定影響，但對于助航燈光系統整體影響微弱，可以通過自適應控制系統保證正常開啟運營。

3.2 易折性分析

光伏電池板安裝固定采用易折件，能滿足飛行區對于桿體易折性的要求。

3.3 光伏面板反光性分析

經過相關理論計算以及應用案例，機場航站樓及停車區安裝的光伏電站產生的陽光反射與機場周邊建筑物幾無差別，并未對飛機駕駛員產生眩光影響，而位于飛行區內的新裝置電池板數量遠遠不及已經投產在用的大型光伏電站電池板數量，所以電池板的反光為飛行員造成的影響可以忽略，此項內容可由光污染環評單位研究分析結果支撐[4]。

3.4 適用環境分析

（1）飛行區環境空闊，不存在擋光現象，適合光伏供電系統的應用。

（2）優先適合在太陽輻照條件好地區及陰雨天氣較少的地區推廣應用。

3.5 新型光伏智能遠程控制助航燈光系統裝置優缺點分析

3.5.1 優點

（1）節省了傳統燈光站房建和站內高低壓柜、調光柜及各種電纜敷設等巨額成本。

（2）運營中依靠光伏發電，無需市電，綠色節能，幾乎沒有運營成本。

（3）維護改造簡單，采用模組化設計，單獨供電系統互不影響，施工簡便，省時省力，對正常運營影響小。

（4）系統更安全可靠，一旦發生故障，也是單點故障，不存在傳統回路燈具團滅的情況，這一點對于軍用價值更有意義。

（5）無線數據傳輸，智能控制，遠程監控，自適應控制算法，節約了大量人力、物力運營管理成本。

（6）符合國家對于智慧機場、綠色機場發展的要求，引領助航燈光行業向更好方向發展。

3.5.2 缺點

（1）光伏供電系統續航能力受制于陰雨天氣，可靠性受制約，系統中電池板和蓄電池設計容量將根據當地氣象數據和機場要求確定，但也可以通過增加線路與市電互補可以改變這一狀況。多余電力可以上網，缺電可由電網補充，但需增加建設成本[5]。

（2）無線通信的可靠性受極端氣候影響。

（3）市場壁壘相關政策及規范標準影響較大。

3.6 運維成本計算分析

某機場運維成本簡單計算分析對比如表1所示。

表1 某機場運維成本簡單計算分析對比表格

4 國內外相似案例分析

目前，世界上機場已安裝光伏電站的位置主要位于航站樓、貨運倉庫屋頂、停車場（上海虹橋、浦東、深圳、無錫、首都機場）、滑行道（日本關西、日本富士山、馬來西亞吉隆坡）、跑道遠端（美國丹佛、印第安納波利斯）等，這些案例為飛行區內安裝光伏供電系統的適用性，包括電磁環境影響和反光性等問題提供了諸多借鑒價值[6]。

目前，一體式的立式光伏助航燈具有了諸多應用，即電池板處于燈具側面或者頂部，但一體式的設計的電池板和蓄電池過小，大大限制了它的使用價值和應用范圍，目前也僅限于小部分通用機場，遠程智能控制技術也不夠完善[7]。真正用于飛行區內嵌入式燈具光伏供電系統的尚屬空白，前兩年中國民航局第二研究所在這方面做了一定的研究，但尚未真正實際應用[3]。

5 結論

本文提供的新型分離式光伏智能遠程控制助航燈光系統裝置從功能實現和運行機理上較為完美地解決了傳統恒流供電建設及運維成本過高且故障較多以及容易回路團滅的問題，對于系統的適用性從易折、反光、電磁、光照環境及持續陰雨天數等方面做了分析探討，并結合傳統調光器恒流供電系統做了優劣性對比，該裝置對于光照資源豐富地區的新建支線機場、軍用機場、偏遠海島機場、通用機場具有良好的推廣價值，在用的樞紐機場建議暫不推廣。希望在助航燈光領域相關從業人員以時不我待、敢為人先的雄心引領時代潮流，大膽革舊創新，勇于攻關各項技術難點，使更安全、更智慧、更節能、更經濟的新型助航燈光系統造福于人類社會。