淺析分離式光伏發電應用于機場助航燈光系統的可行性

張之利

（北京京航安機場工程有限公司，北京 100176）

1 民航目視助航燈光的特點

目視助航燈光系統的作用是飛機在夜航或者天氣能見度低時向飛行員提供目視引導信號，其供電特點如下：①穩定可靠。為了保證燈光系統供電可靠，一般設立兩路獨立電源，一旦用電源發生故障，立即轉換到備用電源恢復供電，如果高壓供電出現故障，需要即刻啟用油機發電來供電。②亮度均勻。燈光回路多數采用串聯，回路內各燈之間通過的電流一樣，保證各燈具發射的光強一致。③燈具的光強可調。為了適應不同能見度條件，各串聯供電回路都設置調光器，像跑道中線燈、入口末端燈都是五級可調。

2 目前中國機場目視助航燈光存在的問題

目前中國機場目視助航燈光存在如下問題：①建造成本非常高，以青島膠東國際機場為例，新機場助航燈光部分投入近7億元，建造內容包括燈光站及站內電氣設備安裝，燈光一二次回路敷設、過路頂管及電纜井制作，燈箱燈具安裝等，造價非常昂貴、施工復雜、周期長、難度大、隱患多；②維護成本高，燈光科室的設備維護人員值守巡查人員需要分工明細各負其責，耗費大量的人力、物力；③實際運行中，存在線纜老化引起的多點接地的安全隱患，容易造成回路故障[1]；④整個供電系統依賴外部供電，一旦供電出現問題，整個串聯回路燈具團滅，影響正常運行；⑤一次線纜損耗過大，能源利用率不高；⑥地下管線復雜，燈光設備升級改造不停航施工，成本高、隱患多、難度大；⑦供電體系不利于LED燈具的推廣和使用。

3 太陽能光伏發電可應用在機場目視助航燈光系統的背景

3.1 LED光源技術成熟，耗電量極少

隨著當今照明技術的迅猛發展，LED照明的優勢越來越明顯，其發光效率有了質的飛躍，技術十分成熟。目前機場使用的鹵素燈光效為12～30 lm/W，大部分的耗電變成熱量損耗，而LED光效目前基本達到150 lm/W，此種光源具有耗電量少、體積小、壽命長、效率高、成本低等優點，價格也從2010年的高峰時每千瓦時40多元降到現在的2元左右，而低耗電的性能特點決定了其由太陽能發電的供電方式漸漸可行。

LED的照明技術在目視助航燈光系統領域的應用也是越來越多，近幾年在中國許多新建機場已經開始大規模使用LED助航燈光了，譬如北京大興、青島膠東新機場、成都天府、上海浦東虹橋機場等，傳統的鹵素燈正在慢慢退出歷史舞臺。

3.2 太陽能光伏發電發展迅猛技術可靠且成本低廉

經過近20年的發展，太陽能發電技術也是日臻成熟，它的實現方式主要是通過利用硅等半導體材料所制成的太陽能電板，利用太陽光照產生直流電，利用鎳氫電池或者鋰電池來儲電并給負載提供電能，而LED照明可直接使用直流電供電，省卻了供電過程中昂貴的電氣設備。

太陽能發電的優勢為：只要是太陽光能照到的地方都可以工作，安裝十分方便靈活，成本也大幅降低，目前太陽能電池板的價格也從10年前的每千瓦時二三十元降到現在的2元左右，使用壽命可達到25年以上，其在發電領域的應用已經遍及全國各行各業。

3.3 無線電通訊技術數據采集技術成熟可靠

目前中國的機場基本上都有專業寬帶數字集群網，具備同時傳輸大容量的上行下行數據傳送能力，通過強大的寬帶數據傳送，遠距離實現數據的管理、查詢、采集、控制等功能，飛行區每一盞燈的運行狀況可由監控單元收集處理相關數據并通過無線網發送至燈光站控制中心，然后由控制中心集中監控和管理，非常可靠方便。

4 太陽能光伏發電應用在機場目視助航燈光系統中的思考

隨著大功率鹵素燈在機場助航燈光漸漸退出，LED綠色環保安全照明的方式開始被大規模應用，太陽能光伏發電具有成熟可靠的技術和低廉的成本，并且無線寬帶網控制技術方便應用，光伏發電應用于機場目視助航燈光的優勢如下：①在機場用太陽能來供電有得天獨厚的條件，不存在擋光的情況，可充分利用光照資源；②機場場地空闊，有足夠的地方安裝太陽能電池板；③電池板支撐桿可使用易折桿連接，滿足飛行區對立桿易折性的要求；④經濟效益十分明顯，太陽能供電系統的初期投入和運營維護成本都遠遠低于傳統供電方式。

4.1 適用地區分析

太陽能供電系統基本原理是白天利用陽光照射電池板給蓄電池充電儲存，夜晚利用蓄電池給照明燈具供電，而機場的助航燈光的可靠性與機場地區的光照條件及連續陰雨天數便成了光伏發電應用于機場目視助航燈光的制約因素。所以，優先可能使用太陽能來供電的城市地區應該符合如下特征：峰值日照時數足夠高；連續陰雨天數不能太長，有梅雨季節的地區目前是不能大量使用太陽能的。

中國太陽能資源非常豐富，根據各地接受太陽總輻射量的數值大小，全國劃分為5類地區。一、二、三類地區，年日照時數大于2 200 h，太陽年輻射總量高于5 000 MJ/m2，是中國太陽能資源較豐富的地區[2]，面積占全國總面積的2/3以上，主要分布在西部地區，具有利用太陽能的良好條件；而四、五類地區，主要分布在東南地區，這類地區太陽能資源條件較差，不建議首先推廣太陽能供電。

4.2 中國降雨量分布狀況

從中國太陽年輻射總量以及降雨量的分布來看，西藏、青海、新疆、寧夏南部、甘肅、內蒙古南部、山西北部、陜西北部、遼寧、吉林、河北、山東、河南等廣大地區的太陽輻射總量很大，陰雨天氣少，尤其是青藏、新疆、內蒙地區，大氣層薄而清潔，日照時間長，降雨量少，陰雨天氣少，為太陽能在機場助航燈光最適合優先開展的區域。

5 產品系統設計

基于太陽能供電方式的機場助航燈光系統是集太分離式陽能光伏技術、LED照明技術、無線智能通信技術為一體的綜合系統，其主要組成部分如下：①燈光監控系統。燈光監控系統實現遠距離燈具及供電系統的數據采集、傳送、管理和控制。②分離式太陽能供電系統。太陽能供電單元放置在燈具附近的土面區，通過二次線管與燈具相連，將太陽能轉化成電能，將多余的能量通過蓄電池儲能單元進行存儲以保證在日照條件不充足或夜間時助航燈具有足夠的電能進行工作。③助航燈具。可光強分級，提供燈光引導信號。④無線基站。通過無線基站實現監控中心與助航燈具之間的數據傳送，接收燈光監控系統的數據并自動處理后發送至燈光監控中心。

太陽能供電系統部分如圖1所示。分離式太陽能供電示意圖如圖2所示。

圖1 太陽能供電系統部分

圖2 分離式太陽能供電示意圖

6 太陽能電池板發電、蓄電池儲電與燈具及監控單元耗電匹配設計分析

按照系統設計需求需要太陽能提供電能的設備，助航燈具和無線基站系統需求總功能為P，燈具和無線基站分別對應的功耗為PL和PS，單個燈具系統總耗電P=PL+PS。

按照系統每天需要工作時間t，如遇到沒有日光照射的陰雨天氣系統需滿足連續供電時間t，則需要的電量為W=Pt，考慮到光伏系統還需要發電效率，一般取值0.8，還要考慮到每天發電量比耗電量多0.5倍用于儲存，以及整個系統效率的降低取衰減系數0.9。

以西藏拉撒機場跑道邊燈為例，燈具功率為3 W（五級調光的耗電最大值，最小值幾乎忽略不計，平均值按1 W計算），無線基站大約1 W，總計4 W，每天開燈12 h，按照西藏最差月峰值日照時數4.5 h為例，那么需要的電池板為1.5×12×4/4.5/0.9/0.8=20 W。蓄電池容量計算，以滿足連續10個陰雨天來計算，容量為10AH。也就是說在西藏拉薩機場地區用20 W的電池板配上10 AH的蓄電池，可供跑道邊燈按最高亮度每天工作12 h并能確保連續供電10個陰雨天。按市場價蓄電池和電池板加上支架易折桿太陽能供電系統總計價格大約500元。

同理，試計算功耗較大的跑道入口燈中線雙頭燈，以某廠家的40 W計算，需要的電池板為200 W，蓄電池容量100AH，也就是說在西藏拉薩機場地區用200W的電池板配上100 AH的蓄電池，可供跑道入口末端雙頭燈按最高亮度每天工作12 h并能確保連續供電10個陰雨天。按市場價蓄電池和電池板加上支架易折桿太陽能供電系統總計價格大約3 000元。由于大多數情況下燈具是按最低亮度亮燈，所以實際用的電池板和蓄電池配置無需這么高，用100 W的板子配50 AH的蓄電池就足夠了，成本在2 000元左右，由于入口燈末端燈都在一起，所以可以在附近土面區做個小型太陽能電站集中供電，更加節約成本，并方便管理。

7 經濟效益分析

7.1 建造成本分析

青島膠東國際機場某施工單位燈光二標中標價2.35億元，其中2個燈光站土建空調消防裝修總計3 500萬元，其余2億元為站內燈光供電調光設備及管線敷設燈具安裝費，再扣除6 000套燈具設備費2 000萬，剩余為1.8億元，那么這1.8億元的燈光供電系統建設費用如果改成以太陽能供電，以青島最差月峰值日照時數2.9 h計算，具體如下。

為方便計算可以將太陽能供電系統分為3類：①耗電量較高的進近燈、跑道入口末端燈中線雙頭燈均按40 W計算，太陽能供電系統150 W的板子配50 AH的蓄電池就足夠了，成本2 000元；②耗電量中等的跑道入口、末端燈、中線、跑邊單頭燈均按20W計算，太陽能供電系統90 W的板子配30AH的蓄電池，成本1 200元；③耗電量較低的滑中滑邊燈等待燈按10 W計算，太陽能供電系統50 W的板子配20AH的蓄電池，成本800元。6 000套燈具的供電系統總計造價大約1000萬元，加上無線控制系統300萬元，總計1 300萬元。

綜上所述，實現同樣功能，傳統供電造價1.8億元，太陽能供電1 300萬元，大約相差14倍。

7.2 運營維護成本分析

運營維護成本分析如表1所示。

表1 運營維護成本分析

8 傳統供電和太陽能供電優劣勢比較

傳統供電和太陽能供電優劣勢比較如表2所示。

表2 傳統供電和太陽能供電優劣勢比較

9 目前應用案例

目前分離式太陽能供電在國內民航機場目前應用還是空白，正在探討和嘗試階段，解決了一體式的太陽能助航燈具發電和儲電受條件所限不可能大規模應用到民用機場的問題，一體式的太陽能助航燈具目前多應用于國內通用機場和部分軍用機場，在國外民用機場使用較多。

10 總結

近20年來，中國在太陽能光伏發電應用技術方面已經十分成熟可靠，并且成本低廉，LED照明技術優勢十分明顯也已經應用在各行各業，包括在民航助航燈光方面已經開始大范圍使用，智能控制通信技術更是突飛猛進。在民航助航燈光領域，傳統的耗電量大的鹵素燈已經開始慢慢淘汰，傳統的供電方式不僅建造成本巨大，而且維護運營成本非常高，機場的空闊環境適合太陽能的應用，在光照條件好及陰雨天氣較少的地區，特別是西藏、新疆、青海、內蒙、甘肅等西北地區應首先推廣應用這一新的助航燈光，并且已經有眾多實踐案例證明了太陽能技術在目視助航領域運用的良好效果，而分離式太陽能供電大量的推廣應用也已經具備基本條件。

本文論述了太陽能供電與LED照明及無線通信技術結合的發展趨勢，由于無需進行一次線纜管道和通訊線纜敷設，避免了基于調光器供電方案使用的昂貴燈光站設備以及線纜主回路故障率較高影響機場運營的問題，創造性地提出分離式光伏發電應用于民航助航燈光領域的解決方案，并以青島地區為例對投入產出經濟效益作了分析，結論是可大幅降低建造和運營成本，對于今后中國民航助航燈光領域的發展具有一定的借鑒意義和研究價值。