浅析分离式光伏发电应用于机场助航灯光系统的可行性

张之利

（北京京航安机场工程有限公司，北京 100176）

1 民航目视助航灯光的特点

目视助航灯光系统的作用是飞机在夜航或者天气能见度低时向飞行员提供目视引导信号，其供电特点如下：①稳定可靠。为了保证灯光系统供电可靠，一般设立两路独立电源，一旦用电源发生故障，立即转换到备用电源恢复供电，如果高压供电出现故障，需要即刻启用油机发电来供电。②亮度均匀。灯光回路多数采用串联，回路内各灯之间通过的电流一样，保证各灯具发射的光强一致。③灯具的光强可调。为了适应不同能见度条件，各串联供电回路都设置调光器，像跑道中线灯、入口末端灯都是五级可调。

2 目前中国机场目视助航灯光存在的问题

目前中国机场目视助航灯光存在如下问题：①建造成本非常高，以青岛胶东国际机场为例，新机场助航灯光部分投入近7亿元，建造内容包括灯光站及站内电气设备安装，灯光一二次回路敷设、过路顶管及电缆井制作，灯箱灯具安装等，造价非常昂贵、施工复杂、周期长、难度大、隐患多；②维护成本高，灯光科室的设备维护人员值守巡查人员需要分工明细各负其责，耗费大量的人力、物力；③实际运行中，存在线缆老化引起的多点接地的安全隐患，容易造成回路故障[1]；④整个供电系统依赖外部供电，一旦供电出现问题，整个串联回路灯具团灭，影响正常运行；⑤一次线缆损耗过大，能源利用率不高；⑥地下管线复杂，灯光设备升级改造不停航施工，成本高、隐患多、难度大；⑦供电体系不利于LED灯具的推广和使用。

3 太阳能光伏发电可应用在机场目视助航灯光系统的背景

3.1 LED光源技术成熟，耗电量极少

随着当今照明技术的迅猛发展，LED照明的优势越来越明显，其发光效率有了质的飞跃，技术十分成熟。目前机场使用的卤素灯光效为12～30 lm/W，大部分的耗电变成热量损耗，而LED光效目前基本达到150 lm/W，此种光源具有耗电量少、体积小、寿命长、效率高、成本低等优点，价格也从2010年的高峰时每千瓦时40多元降到现在的2元左右，而低耗电的性能特点决定了其由太阳能发电的供电方式渐渐可行。

LED的照明技术在目视助航灯光系统领域的应用也是越来越多，近几年在中国许多新建机场已经开始大规模使用LED助航灯光了，譬如北京大兴、青岛胶东新机场、成都天府、上海浦东虹桥机场等，传统的卤素灯正在慢慢退出历史舞台。

3.2 太阳能光伏发电发展迅猛技术可靠且成本低廉

经过近20年的发展，太阳能发电技术也是日臻成熟，它的实现方式主要是通过利用硅等半导体材料所制成的太阳能电板，利用太阳光照产生直流电，利用镍氢电池或者锂电池来储电并给负载提供电能，而LED照明可直接使用直流电供电，省却了供电过程中昂贵的电气设备。

太阳能发电的优势为：只要是太阳光能照到的地方都可以工作，安装十分方便灵活，成本也大幅降低，目前太阳能电池板的价格也从10年前的每千瓦时二三十元降到现在的2元左右，使用寿命可达到25年以上，其在发电领域的应用已经遍及全国各行各业。

3.3 无线电通讯技术数据采集技术成熟可靠

目前中国的机场基本上都有专业宽带数字集群网，具备同时传输大容量的上行下行数据传送能力，通过强大的宽带数据传送，远距离实现数据的管理、查询、采集、控制等功能，飞行区每一盏灯的运行状况可由监控单元收集处理相关数据并通过无线网发送至灯光站控制中心，然后由控制中心集中监控和管理，非常可靠方便。

4 太阳能光伏发电应用在机场目视助航灯光系统中的思考

随着大功率卤素灯在机场助航灯光渐渐退出，LED绿色环保安全照明的方式开始被大规模应用，太阳能光伏发电具有成熟可靠的技术和低廉的成本，并且无线宽带网控制技术方便应用，光伏发电应用于机场目视助航灯光的优势如下：①在机场用太阳能来供电有得天独厚的条件，不存在挡光的情况，可充分利用光照资源；②机场场地空阔，有足够的地方安装太阳能电池板；③电池板支撑杆可使用易折杆连接，满足飞行区对立杆易折性的要求；④经济效益十分明显，太阳能供电系统的初期投入和运营维护成本都远远低于传统供电方式。

4.1 适用地区分析

太阳能供电系统基本原理是白天利用阳光照射电池板给蓄电池充电储存，夜晚利用蓄电池给照明灯具供电，而机场的助航灯光的可靠性与机场地区的光照条件及连续阴雨天数便成了光伏发电应用于机场目视助航灯光的制约因素。所以，优先可能使用太阳能来供电的城市地区应该符合如下特征：峰值日照时数足够高；连续阴雨天数不能太长，有梅雨季节的地区目前是不能大量使用太阳能的。

中国太阳能资源非常丰富，根据各地接受太阳总辐射量的数值大小，全国划分为5类地区。一、二、三类地区，年日照时数大于2 200 h，太阳年辐射总量高于5 000 MJ/m2，是中国太阳能资源较丰富的地区[2]，面积占全国总面积的2/3以上，主要分布在西部地区，具有利用太阳能的良好条件；而四、五类地区，主要分布在东南地区，这类地区太阳能资源条件较差，不建议首先推广太阳能供电。

4.2 中国降雨量分布状况

从中国太阳年辐射总量以及降雨量的分布来看，西藏、青海、新疆、宁夏南部、甘肃、内蒙古南部、山西北部、陕西北部、辽宁、吉林、河北、山东、河南等广大地区的太阳辐射总量很大，阴雨天气少，尤其是青藏、新疆、内蒙地区，大气层薄而清洁，日照时间长，降雨量少，阴雨天气少，为太阳能在机场助航灯光最适合优先开展的区域。

5 产品系统设计

基于太阳能供电方式的机场助航灯光系统是集太分离式阳能光伏技术、LED照明技术、无线智能通信技术为一体的综合系统，其主要组成部分如下：①灯光监控系统。灯光监控系统实现远距离灯具及供电系统的数据采集、传送、管理和控制。②分离式太阳能供电系统。太阳能供电单元放置在灯具附近的土面区，通过二次线管与灯具相连，将太阳能转化成电能，将多余的能量通过蓄电池储能单元进行存储以保证在日照条件不充足或夜间时助航灯具有足够的电能进行工作。③助航灯具。可光强分级，提供灯光引导信号。④无线基站。通过无线基站实现监控中心与助航灯具之间的数据传送，接收灯光监控系统的数据并自动处理后发送至灯光监控中心。

太阳能供电系统部分如图1所示。分离式太阳能供电示意图如图2所示。

图1 太阳能供电系统部分

图2 分离式太阳能供电示意图

6 太阳能电池板发电、蓄电池储电与灯具及监控单元耗电匹配设计分析

按照系统设计需求需要太阳能提供电能的设备，助航灯具和无线基站系统需求总功能为P，灯具和无线基站分别对应的功耗为PL和PS，单个灯具系统总耗电P=PL+PS。

按照系统每天需要工作时间t，如遇到没有日光照射的阴雨天气系统需满足连续供电时间t，则需要的电量为W=Pt，考虑到光伏系统还需要发电效率，一般取值0.8，还要考虑到每天发电量比耗电量多0.5倍用于储存，以及整个系统效率的降低取衰减系数0.9。

以西藏拉撒机场跑道边灯为例，灯具功率为3 W（五级调光的耗电最大值，最小值几乎忽略不计，平均值按1 W计算），无线基站大约1 W，总计4 W，每天开灯12 h，按照西藏最差月峰值日照时数4.5 h为例，那么需要的电池板为1.5×12×4/4.5/0.9/0.8=20 W。蓄电池容量计算，以满足连续10个阴雨天来计算，容量为10AH。也就是说在西藏拉萨机场地区用20 W的电池板配上10 AH的蓄电池，可供跑道边灯按最高亮度每天工作12 h并能确保连续供电10个阴雨天。按市场价蓄电池和电池板加上支架易折杆太阳能供电系统总计价格大约500元。

同理，试计算功耗较大的跑道入口灯中线双头灯，以某厂家的40 W计算，需要的电池板为200 W，蓄电池容量100AH，也就是说在西藏拉萨机场地区用200W的电池板配上100 AH的蓄电池，可供跑道入口末端双头灯按最高亮度每天工作12 h并能确保连续供电10个阴雨天。按市场价蓄电池和电池板加上支架易折杆太阳能供电系统总计价格大约3 000元。由于大多数情况下灯具是按最低亮度亮灯，所以实际用的电池板和蓄电池配置无需这么高，用100 W的板子配50 AH的蓄电池就足够了，成本在2 000元左右，由于入口灯末端灯都在一起，所以可以在附近土面区做个小型太阳能电站集中供电，更加节约成本，并方便管理。

7 经济效益分析

7.1 建造成本分析

青岛胶东国际机场某施工单位灯光二标中标价2.35亿元，其中2个灯光站土建空调消防装修总计3 500万元，其余2亿元为站内灯光供电调光设备及管线敷设灯具安装费，再扣除6 000套灯具设备费2 000万，剩余为1.8亿元，那么这1.8亿元的灯光供电系统建设费用如果改成以太阳能供电，以青岛最差月峰值日照时数2.9 h计算，具体如下。

为方便计算可以将太阳能供电系统分为3类：①耗电量较高的进近灯、跑道入口末端灯中线双头灯均按40 W计算，太阳能供电系统150 W的板子配50 AH的蓄电池就足够了，成本2 000元；②耗电量中等的跑道入口、末端灯、中线、跑边单头灯均按20W计算，太阳能供电系统90 W的板子配30AH的蓄电池，成本1 200元；③耗电量较低的滑中滑边灯等待灯按10 W计算，太阳能供电系统50 W的板子配20AH的蓄电池，成本800元。6 000套灯具的供电系统总计造价大约1000万元，加上无线控制系统300万元，总计1 300万元。

综上所述，实现同样功能，传统供电造价1.8亿元，太阳能供电1 300万元，大约相差14倍。

7.2 运营维护成本分析

运营维护成本分析如表1所示。

表1 运营维护成本分析

8 传统供电和太阳能供电优劣势比较

传统供电和太阳能供电优劣势比较如表2所示。

表2 传统供电和太阳能供电优劣势比较

9 目前应用案例

目前分离式太阳能供电在国内民航机场目前应用还是空白，正在探讨和尝试阶段，解决了一体式的太阳能助航灯具发电和储电受条件所限不可能大规模应用到民用机场的问题，一体式的太阳能助航灯具目前多应用于国内通用机场和部分军用机场，在国外民用机场使用较多。

10 总结

近20年来，中国在太阳能光伏发电应用技术方面已经十分成熟可靠，并且成本低廉，LED照明技术优势十分明显也已经应用在各行各业，包括在民航助航灯光方面已经开始大范围使用，智能控制通信技术更是突飞猛进。在民航助航灯光领域，传统的耗电量大的卤素灯已经开始慢慢淘汰，传统的供电方式不仅建造成本巨大，而且维护运营成本非常高，机场的空阔环境适合太阳能的应用，在光照条件好及阴雨天气较少的地区，特别是西藏、新疆、青海、内蒙、甘肃等西北地区应首先推广应用这一新的助航灯光，并且已经有众多实践案例证明了太阳能技术在目视助航领域运用的良好效果，而分离式太阳能供电大量的推广应用也已经具备基本条件。

本文论述了太阳能供电与LED照明及无线通信技术结合的发展趋势，由于无需进行一次线缆管道和通讯线缆敷设，避免了基于调光器供电方案使用的昂贵灯光站设备以及线缆主回路故障率较高影响机场运营的问题，创造性地提出分离式光伏发电应用于民航助航灯光领域的解决方案，并以青岛地区为例对投入产出经济效益作了分析，结论是可大幅降低建造和运营成本，对于今后中国民航助航灯光领域的发展具有一定的借鉴意义和研究价值。