海外某電力缺乏地區(qū)機(jī)場的太陽能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

張皓馳

摘要：供電系統(tǒng)是機(jī)場建設(shè)工程的重要組成部分。牙買加的電費(fèi)一直比較高昂，屬于電力建設(shè)落后地區(qū)，本文較詳細(xì)地介紹了適合于本項(xiàng)目的太陽能供電設(shè)計(jì)及改進(jìn)措施的研究。

關(guān)鍵詞：太陽能、機(jī)場、供電系統(tǒng)、電力落后地區(qū)、經(jīng)濟(jì)性

Analysis for solar power generation system of lacking power area airport

Zhang Hao-chi

（Airport Investigation and design Institute Co. Ltd， Guangzhou， 510230）

Abstract： Power supply system is very important for airport. Jamaica's electricity cost have been relatively high for long time， it’s a power facility backward area. This article introduces the design and improvement of solar power generation system for this project.

Keywords： Solar generation， Airport， Power supply system； Power facility backward area， economy

1. 機(jī)場當(dāng)?shù)氐臍夂蚣疤柲苜Y源

項(xiàng)目所在地牙買加位于加勒比海西北部，地處北緯17.42度至18.31度，西經(jīng)76.11度至78.22度，熱帶雨林氣候。每年5-6月、9-11月為雨季，其中1月和5月陣雨最多。12月至次年3月為干旱季節(jié)，天氣轉(zhuǎn)涼。6-11月底的半年時(shí)間為颶風(fēng)和熱帶風(fēng)暴多發(fā)期常受颶風(fēng)侵襲。中北部地區(qū)雨量豐富，氣候一般處于22-32度間，年平均溫度為27度。

影響光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量的最大因素為太陽輻射量，其次為當(dāng)?shù)氐臏囟?，由于熱帶雨林氣候常年環(huán)境溫度均較高，會導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率出現(xiàn)一定的降低。由于該地地處海島，而且屬于熱帶雨林氣候，因此影響光伏發(fā)電量的灰塵遮擋因素相對較小。

Kingston的Norman Manley機(jī)場的太陽輻射數(shù)據(jù)如下表（數(shù)據(jù)來源于NASA）。

月 份 各月水平面上的平均日輻射（kWh/m2/日） 月平均溫度（℃） 各月光伏陣列水平面上的平均日輻射（kWh/m2/日）

一月 4.36 26.7 5.02

二月 4.89 26.7 5.36

三月 5.33 27.2 5.54

四月 5.50 27.8 5.43

五月 6.67 28.3 6.30

六月 5.28 29.4 4.95

七月 6.11 29.4 5.73

八月 5.94 29.4 5.76

九月 5.44 28.9 5.53

十月 5.11 28.9 5.51

十一月 4.64 28.3 5.29

十二月 4.31 27.2 4.99

根據(jù)計(jì)算，光伏方陣的最佳傾角采用固定式面向正南方向16°時(shí)可以獲得的日均太陽輻射量為5.45 kWh/m2，太陽能資源相當(dāng)好，適合采用太陽能發(fā)電來替代現(xiàn)有的電力供應(yīng)。

2. 太陽能發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)造及安裝位置

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)原理圖

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、光伏陣列防雷匯流箱、直流配電柜、光伏并網(wǎng)逆變器、交流配電柜（交流開關(guān)柜）、升壓變壓器等設(shè)備構(gòu)成。

光伏系統(tǒng)中，光伏組件需要的占地面積較大，一般安裝在建筑屋頂或者閑置地面，光伏陣列匯流箱安裝在光伏方陣內(nèi)。并網(wǎng)逆變器等電氣設(shè)備放置在現(xiàn)有配電房，也可以采用集裝箱形式放置在室外。

因牙買加機(jī)場航站樓、貨運(yùn)站等可安裝太陽能光伏組件的建筑為現(xiàn)有設(shè)施，改造存在一定的難度和風(fēng)險(xiǎn)，故不建議將太陽能光伏組件安裝在現(xiàn)有建筑屋頂。機(jī)場航站樓前現(xiàn)有各類停車場的面積約為4萬平方米，滿足機(jī)場所需太陽能系統(tǒng)所需的安裝空間，擬在停車場增設(shè)遮陽棚，將所有的太陽能光伏面板放置在遮陽棚頂部，既節(jié)省了機(jī)場寶貴的土地資源，又增加了停車的舒適度。

預(yù)計(jì)建成后停車場效果

3. 擬建設(shè)的太陽能系統(tǒng)方案

機(jī)場目前主要靠外部電網(wǎng)供電，設(shè)置了兩套容量為4.16MVA發(fā)電機(jī)和一套容量為3.5MVA發(fā)電機(jī)作為備用電源。目前機(jī)場總的用電容量為2600KVA。

機(jī)場目前由外部電網(wǎng)供給的電價(jià)約為0.42美元/千瓦時(shí)，電價(jià)非常高，考慮到遠(yuǎn)期機(jī)場的發(fā)展對電力消耗的需求，擬在機(jī)場裝設(shè)發(fā)電容量為4000kWp的太陽能系統(tǒng)。

根據(jù)牙買加機(jī)場現(xiàn)狀的航班時(shí)刻表，機(jī)場現(xiàn)狀為每天運(yùn)營16個(gè)小時(shí)。待太陽能系統(tǒng)建成后，一部分電能供機(jī)場白天使用，多余的電能可通過輸送給電網(wǎng)、蓄電池儲存自用、或者輸送給機(jī)場附近用電單位的方式進(jìn)行處理，后續(xù)章節(jié)將進(jìn)行詳細(xì)論述。

4. 耗電量與發(fā)電量分析

機(jī)場用電容量近期為2600kVA，中期為3000kVA，遠(yuǎn)期為4000kVA。運(yùn)營期內(nèi)的平均耗電量按照中期的3000kVA進(jìn)行計(jì)算，由此可得機(jī)場年平均耗電量為624.96萬千瓦時(shí)。

根據(jù)總體方案，光伏發(fā)電系統(tǒng)各年發(fā)電量和機(jī)場自身用電量如下表：

時(shí) 間 第1年 第2年 第3年 第4年 第5年

機(jī)場累計(jì)年耗電量（度） 6，249，600 12，499，200 18，748，800 24，998，400 31，248，000

年發(fā)電量（度） 6，365，600 6，314，676 6，263，752 6，212，824 6，161，900

累計(jì)發(fā)電量（度） 6，365，600 12，680，276 18，944，028 25156852 31，318，752

時(shí) 間 第6年 第7年 第8年 第9年 第10年

機(jī)場累計(jì)年耗電量（度） 37，497，600 43，747，200 49，996，800 56，246，400 62，496，000

年發(fā)電量（度） 6，110，976 6，060，052 6，009，128 5，958，200 5，907，276

累計(jì)發(fā)電量（度） 37，429，728 43，489，780 49，498，908 55，457，108 61，364，384

時(shí) 間 第11年 第12年 第13年 第14年 第15年

機(jī)場累計(jì)年耗電量（度） 68，745，600 74，995，200 81，244，800 87，494，400 93，744，000

年發(fā)電量（度） 5，856，352 5，805，428 5，754，504 5，703，576 5，652，652

累計(jì)發(fā)電量（度） 67，220，736 73，026，164 78，780，668 84，484，244 90，136，896

時(shí) 間 第16年 第17年 第18年 第19年 第20年

機(jī)場累計(jì)年耗電量（度） 99，993，600 106，243，200 112，492，800 118，742，400 124，992，000

年發(fā)電量（度） 5，601，728 5，550，804 5，499，880 5，448，952 5，398，028

累計(jì)發(fā)電量（度） 95，738，624 101，289，428 106，789，308 112，238，260 117，636，288

時(shí) 間 第21年 第22年 第23年 第24年 第25年

機(jī)場累計(jì)年耗電量（度） 131，241，600 137，491，200 143，740，800 149，990，400 156，240，000

年發(fā)電量（度） 5，347，104 5，296，180 5，245，256 5，194，328 5，143，404

累計(jì)發(fā)電量（度） 122，983，392 128，279，572 133，524，828 138，719，156 143，862，560

在該地建設(shè)4MWp光伏發(fā)電系統(tǒng)，25年可以獲得總計(jì)14386.26萬千瓦時(shí)的發(fā)電量，該系統(tǒng)年平均發(fā)電量為575.45萬千瓦時(shí)。

機(jī)場利用太陽能采光發(fā)電時(shí)間為日均10個(gè)小時(shí)，需采用市電發(fā)電的時(shí)間段為日均6個(gè)小時(shí)。計(jì)算可得可利用太陽能供電時(shí)段的平均年耗電量為390.6萬千瓦時(shí)，需要利用市電進(jìn)行供電時(shí)段的平均年耗電量為234.36萬千瓦時(shí)。

5. 光伏發(fā)電供電方案

區(qū)域太陽能系統(tǒng)并入城鎮(zhèn)電網(wǎng)的可能性較小，電池儲存多余電量的成本過高，因此本次機(jī)場項(xiàng)目推薦按以下方案實(shí)施：機(jī)場建設(shè)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)在有陽光時(shí)保障機(jī)場內(nèi)部用電需求，同時(shí)太陽能系統(tǒng)預(yù)留外部接入口，以有償?shù)姆绞焦┙o機(jī)場附近的用電單位使用，當(dāng)無陽光時(shí)機(jī)場依舊采用市電。

在為機(jī)場節(jié)省電費(fèi)的同時(shí)，多發(fā)出的電能可以為機(jī)場創(chuàng)造收入。

假設(shè)機(jī)場供給外部單位的電價(jià)為0.105美元/度時(shí)，根據(jù)耗電量與發(fā)電量分析，機(jī)場可節(jié)省和創(chuàng)造的收益如下：

平均每年可通過太陽能發(fā)電系統(tǒng)供給自用所節(jié)省費(fèi)用為390.6萬千瓦時(shí)x0.42美元=164.05萬美元；

平均每年可通過太陽能發(fā)電系統(tǒng)多發(fā)出的電能創(chuàng)造的收益為（575.45-390.6）千瓦時(shí)x0.105美元=19.41萬美元；

合計(jì)平均每年節(jié)省電費(fèi)合計(jì)為18.34萬美元。

太陽能發(fā)電系統(tǒng)投資為1.58美元/瓦，停車場改造投資為3.64美元/瓦，外部接入費(fèi)用由用電電位自理，由此可得前期投入合計(jì)5.22美元/瓦。本工程前期共需投入費(fèi)用為5.22美元/瓦x4000kW=2088萬美元。

根據(jù)本系統(tǒng)每年可為機(jī)場節(jié)省電費(fèi)183.46萬美元，投資回收期為2088/183.46=11.4年，因此太陽能發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行第12年時(shí)可收回全部投入的成本，并在后面13年間平均每年為機(jī)場節(jié)省183.46萬美元電費(fèi)。

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