民航机场开发太阳能资源的前景分析

徐晖

【摘 要】我国政府对开发新能源高度重视，从“十一五”规划中就明确鼓励新能源发电和节能项目的发展，到2015年可再生能源发电量争取达到总发电量的20%以上。民航机场作为能耗大户，除保障航班正常运行的责任外，还应充分利用机场占地面积大的优势，在航站楼、货站的屋顶和飞行区周边的地面等处建设太阳能光伏电站，积极发展可再生替代能源，以满足民航市场增长的需要。

【关键词】机场；跑道；光伏电站

绿色机场，即节约、环保、科技、人性化的机场，是指在机场设施的全生命周期（选址、规划、设计、建设、运营维护及报废、回用过程）内，充分利用最新的科学技术成果，以高效率地利用资源（能源、土地、水资源、材料）、最低限度地影响环境的方式，建造最低环境负荷下最安全、健康、高效及舒适的工作与活动空间，促进人与自然、机场环境与发展、建设与运行、经济增长与社会进步相平衡的机场体系。早在2010年2月发布的《建设民航强国的战略构想》中，民航局即提出推动“节约、环保、科技和人性化“绿色机场建设。要求民航机场积极探索清洁能源的应用，采用低排放、可再生替代能源，满足民航市场需求增长的需要，提升能耗效率。今年6月13日，习近平总书记在中央财经领导小组第六次会议中，专门就推动能源生产和消费革命提出了五点要求。其中，新能源发展是能源生产和消费革命的核心内容，新能源利用在能源消费总量中比重的高低，是衡量能源生产和消费革命成效的重要尺度。在此背景下，作为占地广阔，年耗能巨大的民用航空运输机场，如引入分布式太阳能电站，既符合我国21世纪可持续发展能源战略规划，也是发展循环经济模式，建设和谐社会的具体体现。同时，对推进民航机场的太阳能利用及光伏发电产业的发展进程具有非常大的意义。

1 适于建设太阳能电站的机场分布分析

并非所有机场均适合太阳能电站的建设，太阳能电站的分布与当地区域的太阳能资源密切相关。根据2014年底发布的全球机场利用太阳能装机容量的十强排名：我国深圳机场位列第一，装机容量20MW，接下来依次为：马来西亚吉隆坡机场、美国科罗拉多州丹佛国际机场、希腊雅典国际机场、美国费尼克斯天港国际机场、中国上海虹桥机场、日本东京羽田国际机场、美国加利福尼亚州弗雷斯诺机场、上海浦东国际机场、美国夏威夷机场，装机容量自19MW至779KW不等。如在平铺的世界地图上圈出上述机场的地理位置（见图1），可得出一个显著的结论：上述机场均分布在赤道两侧太阳能资源丰富的区域，且均为具有两条或多条跑道的大型机场，自身耗能较大，存在节能减排的迫切需求。

图1 全球太阳能装机容量较大的机场分布

中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤，除去受盆地、山区影响的四川、贵州、湖南、湖北、广西、江西、江苏北部等区域外，其余地区的太阳能资源均在三类及三类以上，太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。各地机场均有规模不等的闲置土地，如能有效利用如建设光伏电站，则将极大推动清洁能源在民航领域的推广应用。以上海两大机场为例，根据上海宝山气象站15年来的平均数据：上海全年日照时数1717.7小时，辐射量在4526.6MJ/m2，属三类地区，资源较丰富，适合建设并网及分布式发电项目。

2 太阳能发电的技术成熟度

太阳能发电是一项成熟技术，全球已有数千家厂商提供技术方案，其主要优势在于：太阳能资源没有枯竭危险，且资源分布广泛，受地域限制小；太阳能电池主要的材料—硅，原料丰富；无机械转动部件，没有噪声，稳定性好；维护保养简单，维护费用低。

3 机场内太阳能电站的选址要求

目前全球已经在机场周边（1公里范围内）或在机场内建筑上建有光伏电站的案例除上述外，还有新西兰纳尔逊机场、德国杜塞尔多夫机场、印度德里机场、新疆哈密、库尔勒、吐鲁番机场、无锡硕放机场、北京首都机场、海口美兰机场等等，运行多已超过1年，所建光伏电站的位置有如下特点：

3.1 安装位置一般位于屋顶或飞行区地面

民用机场内按功能分为飞行区、航站区及场区。从目前已安装太阳能光伏电站的机场来看，除跑道两侧升降带范围用于飞机紧急状况之用外，其它区域如滑行道旁（日本关西、日本富士山、马来西亚吉隆坡）、航站楼或货运仓库屋顶（上海虹桥、浦东、深圳、无锡、首都机场）、跑道远端（美国丹佛、印第安纳波利斯）均适于安装太阳能光伏组件。依据机场的占地大小和大型建筑物屋顶的结构形式，也有越来越多的机场采用见缝插针的方式建设分布式光伏电站，总装机容量高达10MW以上。

3.2 组件安装位置一般结构稳定

光伏面板每块大小一般为1.6m*1.2米，每块重约2-300公斤，其所处安装位置应有稳定的结构以支撑面板长期、稳固的放置，故如在屋顶放置光伏面板还需对屋顶进行结构加固，如放置在地面上，则所处地块在区域构造上应属基本稳定区域，地面应碾压密实，适宜在其上安装各类支撑架等设施并布放汇流排、逆变器等直流采集、转换设备。

4 太阳能电站对机场安全运行的影响分析

4.1 光反射的影响分析

光伏电站由太阳能采集设备（光伏组件）、电能采集（汇流排）、电能转换（逆变器）、升压器等设备组成。其中占地最大、争议最多的莫过于光伏面板了。按照电站的规模，规模越大，面板数量越多，以20MW为例，其采用的光伏面板总数可达7.8万块，每块尺寸为1.6*1.2米。

4.1.1 太阳能光伏组件材质对阳光的反射性能分析

光伏组件是由高透光率低铁钢化玻璃（又称超白光伏玻璃）、抗老化EVA胶膜、晶体硅电池片和由氟塑料、涤纶复合而成的TPT背膜组成，如下图所示。其中高透光率低铁钢化玻璃位于整个组件的最上层，即为反光的主要部分。因玻璃和EVA胶膜透明，电池片不透明，电池片表面也具有一定的反光特性，电池片与组件表面的玻璃的反光量之和决定了光伏组件的整体反光特性。

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光伏组件玻璃的厚度为一般5～10mm，为增加光线的入射量，表面呈绒状，面板还涂布一层含纳米材料的薄膜以增加面板的透光并有利面板的自洁，为提高太阳能的光电转换率，面板玻璃的透光率要求在95%以上，玻璃表面对太阳直射光线的总反射量小于5%，且光谱响应的波长范围为320～1l00nm，只对大于1200nm的红外光有较高的反射率。

由上所述，太阳能光伏组件表面超白玻璃的透射比远大于反射比，而且反射的光线主要以漫反射形式存在，造成的平行光反射导致的刺眼现象完全不存在。对于高空的观察者，无论阳光强度如何，从何角度观察，地面上的光伏方阵都呈暗淡的深色，与普通深色建筑瓦片效果相当。目前为止全球范围内已建的机场光伏电站均未收到有关眩光的反映。

4.1.2 光伏组件反射光对起降航空器的影响分析

虽然光伏组件玻璃的反射光强度远低于入射光线的强度，但其反射光线仍可能到达正对光伏组件起降的航空器驾驶员眼中并造成眩光。为避免此类情况，应尽量避免光伏组件的安装角度接近平行于航空器下滑角以产生前述的平行光，还应根据当地的气象条件对太阳光的反射情况进行进一步分析。以下以浦东机场为例予以分析：

1）背景

浦东机场位于东海之滨，占地40平方公里，具备开发太阳能资源的有利条件。在其一、三跑道南侧有一未开发地块适合建设光伏电站，该地块最近位置距一、三跑道南端入口1400米，见图4。

图4 拟建光伏电站与跑道相对位置

2）太阳高度角与反射角

太阳高度角的定义：对于地球上的某个地点，太阳高度角是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角（见图5）。

图5

上海地区太阳高度角分析：上海地区纬度为31.23°，冬至日（每年的12月22日）时太阳的高度角最小，其值为：35.34°，此时太阳光线的反射角为94.7°（见图6）。

图6 冬至日的太阳光线的入射角和反射角

夏至日（每年的6月22日）时太阳的高度角最大，其值为：82.2°，此时太阳光线的反射角为47.8°（见图7）。

图7 夏至日的太阳光线的入射角和反射角

3）太阳光反射角与下滑角的关系

由前图可知，一年中太阳光线的反射角在 47.8°到 94.7°之间变化（图8）。根据机场航行资料所知：一、三跑道的下滑角为3°，即飞机降落的轨迹与地面的夹角为3°，飞机沿下滑角进近过程中（下滑线参照图9中白色粗线），飞行员垂直向下的可视角度是20°（根据飞行员手册，正常情况下人眼的水平可视角度是120°，垂直可视角度是60°）。此时反射光将照射在飞机鼻尖部，并不会直接照射到飞行员的眼睛位置。

图8 太阳光反射角47.8°-94.7°

图9 飞机沿3°下滑角下滑

4）结论

即使在假定的极端条件下，即：忽略大气层对太阳光线折射的影响；光伏面板对太阳光全反射；太阳能电池板与地面夹角为25°（该角度使得光伏面板对与太阳光的吸收最有利），太阳光反射光线也只照射到飞机的翼尖位置，不会对朝向一、三跑道进近的航空器驾驶员造成眩光等影响，不会影响到飞行员的可视范围。

4.2 光伏电站现场设备结构稳定性分析

光伏发电系统的组成见下图，除光伏组件外，其余均为通用型电气设备，均已在机场范围内大规模安装应用，因此，需特别关注光伏组件的安装：光伏组件数量较多，动辄以万计，组件的安装是否稳固，直接影响着系统的安全稳定运行。安装在屋顶上的组件除牢固与支架固定外，还需对原屋面进行结构加固并取得专业结构工程师的认定。安装在机场飞行区内靠近跑道、滑行道的地面电站的光伏组件尤其需注意支架的稳固性，以防被风吹落或吹散造成飞行安全隐患，目前落地安装的光伏组件一般采用钻孔灌注桩基础。就支架系统的稳固性作一分析：

图10 光伏发电系统的组成

4.2.1 光伏组件支架系统设计参数

风荷载：0.25kN/m2；电池板重量：0.12kN/m2；固定支架倾角：25°。

4.2.2 支架系统主要材料选用

主梁、次梁、斜撑均采用冷弯薄壁C 形钢，立柱采用方钢管。立柱端板、主次梁连接件采用热轧钢板。钢材表面均采用热镀锌防腐，钢材牌号为Q235B。电池板压码为铝合金件。连接螺栓为M4.6 级普通螺栓。

4.2.3 支架基础

支架基础采用混凝土钻孔灌注桩基础，埋深为3.0m，露出地面0.3m，桩长3.3m，桩径300mm。桩身混凝土强度等级为C30，其内配7φ10纵筋，箍筋采用螺旋钢筋φ8@200，钢筋采用HPB300级（见图11）。

图11 支架安装图

4.2.4 稳定性分析结论

上述支架系统一般应用于场址地面下无液化土层的较稳定区域，且桩基周围无淤泥，否则应根据物探报告进行必要的深层地基处理。抗风能力：支架系统可抵抗12级台风（最大平均风速32.7-41.4米/秒）的吹袭。

4.3 电磁干扰的影响分析

按照中国民航对电磁环境保护区的定义，电磁环境保护区域由二部分组成：一部分是距跑道端部500米，跑道中心线延长线两侧各500米范围内组成的无线电台电磁环境保护区，该区域范围较小；另一部分为飞行区电磁环境保护区，范围为以跑道入口为圆心13千米为半径的弧和与两条弧线相切的跑道的平行线围成的区域（以4D级单跑道为例）。二部分区域之和基本涵盖了机场的飞行区、航站区和场区，要求在该区域内不得有影响电磁环境的任何活动。

以地面光伏电站为例，系统的主要组成部件有：太阳能组件（电池板）、汇流箱、逆变器、升压变压器等。其中，变压器为常见电气设备，太阳能组件作用仅为光电转换，而汇流箱仅用于电缆传输之用，可见可能产生电磁辐射干扰的设备只能是逆变器。

为确认光伏电站是否会对机场电磁环境造成影响，我们委托国家继电保护及自动化设备质量监督检验中心—中国开普实验室对常用的三相500KW容量的逆变器进行了安全检验和电磁兼容检验，依据“并网光伏发电专用逆变器技术条件”对逆变器的输出效率、电流谐波总畸变率、功率因素、温升试验、绝缘阻抗等项进行了检验；依据“GB/T 17626、GB17799”对逆变器的静电放电抗扰度、射频电磁场辐射抗扰度、工频磁场抗扰度、辐射发射限值等进行了检验。各项指标均符合检验依据的要求，判定结果均为：合格。故逆变器也不会对机场范围的电磁环境造成影响。

5 结束语

通过对太阳能光伏发电系统的光反射影响分析、结构稳固性分析、电磁干扰影响分析可知，太阳能光伏电站的建设不会对机场运行安全造成影响，只需进行适当的安全评估，光伏组件可以在除跑滑及升降带以外的区域进行安装，太阳能资源的利用在机场内大有可为。

随着太阳能的普及与成本的降低，其在节能减排方面充当着越来越重要的作用，作为24小时不间断运行的能耗大户——机场，除了通过其他减排手段来降低能耗之外，最常用的就是建设太阳能发电项目了。开发新能源是我国能源发展战略的重要组成部分，太阳能资源的开发利用是我国能源发展战略和调整电力结构的重要措施之一。光伏发电的建设，符合我国能源发展战略的需要，民航机场应充分利用机场占地面积大的优势，积极开发利用太阳能资源，逐步提升新能源在总能耗中的比重，适应未来机场的发展趋势。

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[责任编辑：汤静]