民航機(jī)場開發(fā)太陽能資源的前景分析

徐暉

【摘 要】我國政府對開發(fā)新能源高度重視，從“十一五”規(guī)劃中就明確鼓勵(lì)新能源發(fā)電和節(jié)能項(xiàng)目的發(fā)展，到2015年可再生能源發(fā)電量爭取達(dá)到總發(fā)電量的20%以上。民航機(jī)場作為能耗大戶，除保障航班正常運(yùn)行的責(zé)任外，還應(yīng)充分利用機(jī)場占地面積大的優(yōu)勢，在航站樓、貨站的屋頂和飛行區(qū)周邊的地面等處建設(shè)太陽能光伏電站，積極發(fā)展可再生替代能源，以滿足民航市場增長的需要。

【關(guān)鍵詞】機(jī)場；跑道；光伏電站

綠色機(jī)場，即節(jié)約、環(huán)保、科技、人性化的機(jī)場，是指在機(jī)場設(shè)施的全生命周期（選址、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營維護(hù)及報(bào)廢、回用過程）內(nèi)，充分利用最新的科學(xué)技術(shù)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(huán)境的方式，建造最低環(huán)境負(fù)荷下最安全、健康、高效及舒適的工作與活動(dòng)空間，促進(jìn)人與自然、機(jī)場環(huán)境與發(fā)展、建設(shè)與運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)增長與社會(huì)進(jìn)步相平衡的機(jī)場體系。早在2010年2月發(fā)布的《建設(shè)民航強(qiáng)國的戰(zhàn)略構(gòu)想》中，民航局即提出推動(dòng)“節(jié)約、環(huán)保、科技和人性化“綠色機(jī)場建設(shè)。要求民航機(jī)場積極探索清潔能源的應(yīng)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(xí)近平總書記在中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第六次會(huì)議中，專門就推動(dòng)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命提出了五點(diǎn)要求。其中，新能源發(fā)展是能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命的核心內(nèi)容，新能源利用在能源消費(fèi)總量中比重的高低，是衡量能源生產(chǎn)和消費(fèi)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(yùn)輸機(jī)場，如引入分布式太陽能電站，既符合我國21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展能源戰(zhàn)略規(guī)劃，也是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式，建設(shè)和諧社會(huì)的具體體現(xiàn)。同時(shí)，對推進(jìn)民航機(jī)場的太陽能利用及光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程具有非常大的意義。

1 適于建設(shè)太陽能電站的機(jī)場分布分析

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

圖1 全球太陽能裝機(jī)容量較大的機(jī)場分布

中國太陽能資源非常豐富，理論儲(chǔ)量達(dá)每年17000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，除去受盆地、山區(qū)影響的四川、貴州、湖南、湖北、廣西、江西、江蘇北部等區(qū)域外，其余地區(qū)的太陽能資源均在三類及三類以上，太陽能資源開發(fā)利用的潛力非常廣闊。各地機(jī)場均有規(guī)模不等的閑置土地，如能有效利用如建設(shè)光伏電站，則將極大推動(dòng)清潔能源在民航領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。以上海兩大機(jī)場為例，根據(jù)上海寶山氣象站15年來的平均數(shù)據(jù)：上海全年日照時(shí)數(shù)1717.7小時(shí)，輻射量在4526.6MJ/m2，屬三類地區(qū)，資源較豐富，適合建設(shè)并網(wǎng)及分布式發(fā)電項(xiàng)目。

2 太陽能發(fā)電的技術(shù)成熟度

太陽能發(fā)電是一項(xiàng)成熟技術(shù)，全球已有數(shù)千家廠商提供技術(shù)方案，其主要優(yōu)勢在于：太陽能資源沒有枯竭危險(xiǎn)，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(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，沒有噪聲，穩(wěn)定性好；維護(hù)保養(yǎng)簡單，維護(hù)費(fèi)用低。

3 機(jī)場內(nèi)太陽能電站的選址要求

目前全球已經(jīng)在機(jī)場周邊（1公里范圍內(nèi)）或在機(jī)場內(nèi)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(jī)場、德國杜塞爾多夫機(jī)場、印度德里機(jī)場、新疆哈密、庫爾勒、吐魯番機(jī)場、無錫碩放機(jī)場、北京首都機(jī)場、?？诿捞m機(jī)場等等，運(yùn)行多已超過1年，所建光伏電站的位置有如下特點(diǎn)：

3.1 安裝位置一般位于屋頂或飛行區(qū)地面

民用機(jī)場內(nèi)按功能分為飛行區(qū)、航站區(qū)及場區(qū)。從目前已安裝太陽能光伏電站的機(jī)場來看，除跑道兩側(cè)升降帶范圍用于飛機(jī)緊急狀況之用外，其它區(qū)域如滑行道旁（日本關(guān)西、日本富士山、馬來西亞吉隆坡）、航站樓或貨運(yùn)倉庫屋頂（上海虹橋、浦東、深圳、無錫、首都機(jī)場）、跑道遠(yuǎn)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(jù)機(jī)場的占地大小和大型建筑物屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式，也有越來越多的機(jī)場采用見縫插針的方式建設(shè)分布式光伏電站，總裝機(jī)容量高達(dá)10MW以上。

3.2 組件安裝位置一般結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(yīng)有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)以支撐面板長期、穩(wěn)固的放置，故如在屋頂放置光伏面板還需對屋頂進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，如放置在地面上，則所處地塊在區(qū)域構(gòu)造上應(yīng)屬基本穩(wěn)定區(qū)域，地面應(yīng)碾壓密實(shí)，適宜在其上安裝各類支撐架等設(shè)施并布放匯流排、逆變器等直流采集、轉(zhuǎn)換設(shè)備。

4 太陽能電站對機(jī)場安全運(yùn)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(shè)備（光伏組件）、電能采集（匯流排）、電能轉(zhuǎn)換（逆變器）、升壓器等設(shè)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(guī)模，規(guī)模越大，面板數(shù)量越多，以20MW為例，其采用的光伏面板總數(shù)可達(dá)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(zhì)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(fù)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(gè)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(zhuǎn)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(yīng)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(yuǎn)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(dǎo)致的刺眼現(xiàn)象完全不存在。對于高空的觀察者，無論陽光強(qiáng)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(dāng)。目前為止全球范圍內(nèi)已建的機(jī)場光伏電站均未收到有關(guān)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(qiáng)度遠(yuǎn)低于入射光線的強(qiáng)度，但其反射光線仍可能到達(dá)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(yīng)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(chǎn)生前述的平行光，還應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件對太陽光的反射情況進(jìn)行進(jìn)一步分析。以下以浦東機(jī)場為例予以分析：

1）背景

浦東機(jī)場位于東海之濱，占地40平方公里，具備開發(fā)太陽能資源的有利條件。在其一、三跑道南側(cè)有一未開發(fā)地塊適合建設(shè)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(gè)地點(diǎn)，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(qū)太陽高度角分析：上海地區(qū)緯度為31.23°，冬至日（每年的12月22日）時(shí)太陽的高度角最小，其值為：35.34°，此時(shí)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(shí)太陽的高度角最大，其值為：82.2°，此時(shí)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(guān)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(jù)機(jī)場航行資料所知：一、三跑道的下滑角為3°，即飛機(jī)降落的軌跡與地面的夾角為3°，飛機(jī)沿下滑角進(jìn)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(jù)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(shí)反射光將照射在飛機(jī)鼻尖部，并不會(huì)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(jī)沿3°下滑角下滑

4）結(jié)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(jī)的翼尖位置，不會(huì)對朝向一、三跑道進(jìn)近的航空器駕駛員造成眩光等影響，不會(huì)影響到飛行員的可視范圍。

4.2 光伏電站現(xiàn)場設(shè)備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成見下圖，除光伏組件外，其余均為通用型電氣設(shè)備，均已在機(jī)場范圍內(nèi)大規(guī)模安裝應(yīng)用，因此，需特別關(guān)注光伏組件的安裝：光伏組件數(shù)量較多，動(dòng)輒以萬計(jì)，組件的安裝是否穩(wěn)固，直接影響著系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)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(jìn)行結(jié)構(gòu)加固并取得專業(yè)結(jié)構(gòu)工程師的認(rèn)定。安裝在機(jī)場飛行區(qū)內(nèi)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(wěn)固性，以防被風(fēng)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(chǔ)。就支架系統(tǒng)的穩(wěn)固性作一分析：

圖10 光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

4.2.1 光伏組件支架系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

風(fēng)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(tǒng)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(chǔ)

支架基礎(chǔ)采用混凝土鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，埋深為3.0m，露出地面0.3m，樁長3.3m，樁徑300mm。樁身混凝土強(qiáng)度等級為C30，其內(nèi)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(wěn)定性分析結(jié)論

上述支架系統(tǒng)一般應(yīng)用于場址地面下無液化土層的較穩(wěn)定區(qū)域，且樁基周圍無淤泥，否則應(yīng)根據(jù)物探報(bào)告進(jìn)行必要的深層地基處理?？癸L(fēng)能力：支架系統(tǒng)可抵抗12級臺(tái)風(fēng)（最大平均風(fēng)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(huán)境保護(hù)區(qū)的定義，電磁環(huán)境保護(hù)區(qū)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(cè)各500米范圍內(nèi)組成的無線電臺(tái)電磁環(huán)境保護(hù)區(qū)，該區(qū)域范圍較??；另一部分為飛行區(qū)電磁環(huán)境保護(hù)區(qū)，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(qū)域（以4D級單跑道為例）。二部分區(qū)域之和基本涵蓋了機(jī)場的飛行區(qū)、航站區(qū)和場區(qū)，要求在該區(qū)域內(nèi)不得有影響電磁環(huán)境的任何活動(dòng)。

以地面光伏電站為例，系統(tǒng)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(shè)備，太陽能組件作用僅為光電轉(zhuǎn)換，而匯流箱僅用于電纜傳輸之用，可見可能產(chǎn)生電磁輻射干擾的設(shè)備只能是逆變器。

為確認(rèn)光伏電站是否會(huì)對機(jī)場電磁環(huán)境造成影響，我們委托國家繼電保護(hù)及自動(dòng)化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心—中國開普實(shí)驗(yàn)室對常用的三相500KW容量的逆變器進(jìn)行了安全檢驗(yàn)和電磁兼容檢驗(yàn)，依據(jù)“并網(wǎng)光伏發(fā)電專用逆變器技術(shù)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(yàn)、絕緣阻抗等項(xiàng)進(jìn)行了檢驗(yàn)；依據(jù)“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(fā)射限值等進(jìn)行了檢驗(yàn)。各項(xiàng)指標(biāo)均符合檢驗(yàn)依據(jù)的要求，判定結(jié)果均為：合格。故逆變器也不會(huì)對機(jī)場范圍的電磁環(huán)境造成影響。

5 結(jié)束語

通過對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的光反射影響分析、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性分析、電磁干擾影響分析可知，太陽能光伏電站的建設(shè)不會(huì)對機(jī)場運(yùn)行安全造成影響，只需進(jìn)行適當(dāng)?shù)陌踩u估，光伏組件可以在除跑滑及升降帶以外的區(qū)域進(jìn)行安裝，太陽能資源的利用在機(jī)場內(nèi)大有可為。

隨著太陽能的普及與成本的降低，其在節(jié)能減排方面充當(dāng)著越來越重要的作用，作為24小時(shí)不間斷運(yùn)行的能耗大戶——機(jī)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(shè)太陽能發(fā)電項(xiàng)目了。開發(fā)新能源是我國能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，太陽能資源的開發(fā)利用是我國能源發(fā)展戰(zhàn)略和調(diào)整電力結(jié)構(gòu)的重要措施之一。光伏發(fā)電的建設(shè)，符合我國能源發(fā)展戰(zhàn)略的需要，民航機(jī)場應(yīng)充分利用機(jī)場占地面積大的優(yōu)勢，積極開發(fā)利用太陽能資源，逐步提升新能源在總能耗中的比重，適應(yīng)未來機(jī)場的發(fā)展趨勢。

【參考文獻(xiàn)】

[1]民用機(jī)場電磁環(huán)境保護(hù)區(qū)域劃定規(guī)范與保護(hù)要求 AC-118-TM-2011-01[S].中國民航局.

[2]蔣焱.關(guān)于光伏電站是否影響飛行安全問題的分析[J].建筑建材裝飾，2015（16）.

[3]李麗珍，劉輝，史學(xué)峰，曹露.淺析光伏電站對環(huán)境的影響[J].科技信息，2012（12）.

[4]彭志剛.光伏建筑一體化在城市應(yīng)用中光反射問題的探討[J].上海節(jié)能，2010（2）.

[5]何嘉文.大型地面光伏電站選址影響因素淺析[J].華中電力，2013（4）.

[6]檢測報(bào)告20110147[S].上海空間電源研究所，2011-6-21[R].

[7]檢驗(yàn)報(bào)告（光伏并網(wǎng)逆變器），中國開普實(shí)驗(yàn)室，NO：JW120606[R].

[責(zé)任編輯：湯靜]