機場建設中光伏系統(tǒng)建設的思考與建議

太陽能及應用背景太陽能是指太陽以電磁能的形式發(fā)射、傳播或接收的輻射能，是一種最清潔、安全和可靠的能源。由于太陽能永不枯竭，也屬于可再生能源。同時,太陽能適用范圍廣,電站修建成本低于其他清潔能源,電站運營不污染環(huán)境等。因此，太陽能是目前一個十分重要的可再生綠色能源。充分利用太陽能資源，是緩解能源供需矛盾、解決未來能源短缺的一個重要途徑甚至是必經(jīng)之路。太陽能的開發(fā)利用有太陽能光熱轉換、光電轉換以及光化學轉換等多種形式。我國太陽能資源豐富，對太陽能的開發(fā)利用主要集中在光熱利用和光電利用。太陽能光熱應用是指太陽能熱發(fā)電，它是通過轉換裝置把太陽輻射能轉換為熱能加以利用，再利用熱能進行發(fā)電；太陽能光電應用，就是利用太陽電池直接將太陽光能轉化為電能，因為這種轉換是利用半導體器件的光伏效應原理進行光電轉換，因此，太陽能發(fā)電又稱為光伏發(fā)電，其應用主要包括獨立發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和混合系統(tǒng)等。光伏產(chǎn)業(yè)則指的是以硅材料的生產(chǎn)應用為核心所形成的產(chǎn)業(yè)。目前，我國乃至全世界，電能的產(chǎn)生多為火力發(fā)電以及水力發(fā)電，其中，火電發(fā)電所需能源為不可再生能源，而水力發(fā)電受季節(jié)性氣候影響比較大，因此，從目前發(fā)展局勢來看，世界能源正處于一種逐步枯竭的狀態(tài)，人類正在經(jīng)歷著能源轉型。據(jù)專業(yè)研究指出，太陽能光伏發(fā)電每1千瓦時的電就相應節(jié)約了0.4千克標準煤，4升凈水，同時減少了0.272千克碳粉塵，0.997千克二氧化碳，0.03千克二氧化硫，0.015千克氮氧化物。傳統(tǒng)的太陽能應用在民航，傳統(tǒng)的太陽能應用，場地往往在于遠離飛行區(qū)或航道的位置，如貨運樓、遠離飛行區(qū)的空地。典型的案例如下：一、上海虹橋機場2010年，虹橋機場在2號航站樓的西貨運站屋頂鋪設了裝機容量為2.848MW的太陽能電池組件，年平均上網(wǎng)電量約為277萬KWh，每年可為電網(wǎng)節(jié)約標煤約987噸。二、深圳保安機場太陽能發(fā)電一期項目總裝機容量是10MW，太陽板塊主要分布在機場保稅物流園區(qū)和航空物流園區(qū)，共利用屋頂面積約7萬平方米。2013年3月一期項目開始逐步并網(wǎng)發(fā)電，運行安全穩(wěn)定，截至2014年10月底累計發(fā)電量近1700萬KWh，其中2014年7月4日創(chuàng)下了單日發(fā)電量5.6萬kWh的最高紀錄。2014年11月15日二期10MW項目正式開工。二期的太陽能板則安裝在新貨運站。此項目完成后，機場的總太陽能發(fā)電裝機容量達20MW，每年發(fā)電約為2000萬KWh，從而躍身成為全球民航機場中太陽能規(guī)模最大的機場。作為目前為止國內機場區(qū)域已建成的容量最大的太陽能光伏發(fā)電項目，該項目不僅具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，而且取得了良好的社會效益。項目也因此而被評為“深圳市治污保潔工程優(yōu)秀項目”二等獎。三、上海浦東機場2014年11月，浦東機場建成1.7MW的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，位于機場的1號和2號航站樓之間。該項目為太陽能建筑一體化項目，占地15000平方米，用以滿足機場停車設施和裝卸設備的需求，還可為機場戶外的空調設備遮陽。創(chuàng)新的太陽能應用近幾年，以大興國際機場和首都國際機場為代表，不少機場勇于創(chuàng)新、不斷探索，在太陽能利用方面做出了可喜的成績，應用場地和場景，讓人眼前一亮。一、北京大興機場

大興機場在飛行區(qū)的側向跑道（東一跑道）附近，建設太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，安裝面積約7萬平方米，總裝機容量約為3.0MW，年均發(fā)電量可達329萬KWh，系統(tǒng)設計壽命25年。在飛行區(qū)里建設太陽能光伏系統(tǒng)，這在全球民航屬于首創(chuàng)！二、北京首都國際機場作為第一國門的首都機場，在建設綠色機場的過程中，始終堅持以綠色發(fā)展理念為導向，不默守陳規(guī)，大膽創(chuàng)新思路，在傳統(tǒng)光伏發(fā)電技術的基礎上不斷挖深、挖潛，從空間、深度上來拓展光伏發(fā)電技術思路，先后將“光伏發(fā)電+儲能”技術和“光儲充一體化功率型增容充電車棚”等行業(yè)前沿技術引進到項目中來，還創(chuàng)新性地將光伏發(fā)電技術應用在了首都機場GTC綠化屋面、首都機場GTC玻璃穹頂屋面、首都機場西湖水面等位置，不但從空間上拓展了光伏發(fā)電的應用范圍，也從實踐上拓寬了光伏發(fā)電的技術思路。1、裝配式建筑屋面光伏+儲能項目利用裝配式建筑的箱體標準化設計、自由組合、場外預制等特點，將光伏建筑一體化系統(tǒng)（44個標準集裝箱柜體、建筑面積1088平方米、光伏面積約783平米）、儲能逆變系統(tǒng)、EMS智慧能源管理系統(tǒng)、光伏板智能清掃機器人系統(tǒng)融合在一起，形成了一套智能化、立體化的“光伏+儲能+運維”技術體系，并成功打造了一個“超低能耗”綠色裝配式示范建筑。

1.1光伏一體化系統(tǒng)屋面光伏采用單晶高效太陽能電池組件，組件功率330瓦，19.98%。根據(jù)項目實際可用屋面面積，最好的天氣情況下每天能發(fā)電約300多KWh。經(jīng)測算，該發(fā)電量與本建筑的空調、照明等生活用電負荷基本相當。同時，太陽能光伏組件平鋪在屋面，與屋面用鋁合金支架固定連接，光伏板與屋面之間形成一個10公分左右的架空層，太陽能光伏組件在發(fā)電的同時也可以起到屋面隔熱層的作用。

圖1

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)1.2儲能逆變系統(tǒng)本項目儲能系統(tǒng)分為固定式儲能裝置和移動式儲能系統(tǒng)兩部分，儲能系統(tǒng)以儲能蓄電池為載體，通過儲能雙向變流器實現(xiàn)交流、直流電能變換，“光伏儲能系統(tǒng)——負載”與“市電——負載”兩條鏈路通過STS電氣設備實現(xiàn)相互切換?？梢苿邮絻δ芟到y(tǒng)：采用移動儲能平臺的形式，將儲能電池及控制系統(tǒng)集成放置于可移動儲能平臺上，在保障建筑常規(guī)用電情況下，還能通過機場內的牽引車整體將移動儲能平臺移動到其他場所，應對機場緊急用電情況，多重保障提高機場電力供應的可靠性，為機場設施的安全運行增加一道保險。如圖4所示。圖2可移動儲能系統(tǒng)1.3EMS智慧能源管理系統(tǒng)

項目有一套EMS智慧能源管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)用來采集光伏、儲能、市電處、負載側的功率，監(jiān)測光伏及儲能系統(tǒng)的運行狀態(tài)。項目采取“光伏及儲能為主電源、市電為備用電源”的運行方案，在市電與光伏儲能之間增加靜態(tài)轉換開關STS實現(xiàn)自動切換。光伏系統(tǒng)作為固定儲能、移動儲能、負載的主要電源，以一個獨立的微網(wǎng)系統(tǒng)的方式為建筑內的用電設備進行供電，有效避免了光伏發(fā)電系統(tǒng)對市電的穩(wěn)定性干擾等運行風險。整個光伏和儲能系統(tǒng)由EMS智慧能源管理系統(tǒng)來自動控制運行。1.4光伏板智能清掃機器人系統(tǒng)項目為光伏板配備了智能清掃機器人系統(tǒng)，設定每日工作頻次和時間，系統(tǒng)本身自帶光伏發(fā)電設備，可長期不間斷為屋面光伏板進行清潔維保工作。提高了工作效率的同時，也降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的運維成本。

圖3

太陽能光伏板智能清掃機器人

項目運行以來，運行效果良好，在天氣良好的情況下，基本能夠實現(xiàn)“白天光伏系統(tǒng)供電+夜間儲能系統(tǒng)供電”的運行模式，成功實現(xiàn)建筑24小時“零能耗”運行。

2、光儲充一體化功率型增容充電車棚為了解決電動車輛充電問題，首都機場新建了一批集光伏、儲能、充電和停車為一體的充電車棚2.1項目布局光儲充系統(tǒng)分別在首都機場飛行區(qū)1號門、2號門、T3D南端、T3E南端4個區(qū)域各建1套，共計有62個充電車位。每套系統(tǒng)主要包括：光伏系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和充電系統(tǒng)。圖4太陽能光儲充一體化車棚2.2光伏系統(tǒng)系統(tǒng)采用雙玻半透明光伏組件，運用C型鋼檁條+壓塊的固定方式，在發(fā)揮停車棚遮陽防雨基本功能的同時，又具備太陽能發(fā)電功能，組件采用20塊/串的最佳組串方式進行配置，按車棚頂面積設計安裝33串、共648塊光伏組件，裝機容量共200.88kW。光伏組件發(fā)電后通過光伏逆變器接入現(xiàn)場配電箱，所發(fā)電能全部通過儲能系統(tǒng)進行回收存儲，最終用于充電系統(tǒng)，通過能源管理系統(tǒng)（EMS）自動調度，自發(fā)自用，系統(tǒng)所發(fā)電能并網(wǎng)但不上網(wǎng)。

圖五

2.3儲能系統(tǒng)儲能系統(tǒng)采用標準工業(yè)集裝箱做保護殼，內部設有隔熱層，分為電池艙和電氣艙兩部3分空間。箱體滿足IP54防護等級，具有防腐涂層，內部配置消防系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和儲能雙向變流器（PCS），并搭載了能量管理系統(tǒng)（EMS）。4個停車棚點位配置4套儲能系統(tǒng)。儲能設備和光伏設備接受EMS調度，實時監(jiān)測市政供電基本狀態(tài)參數(shù)，存儲光伏系統(tǒng)所發(fā)電能，并根據(jù)充電樁的實際負荷需求智能控制電流流量，使功率型儲能產(chǎn)品實現(xiàn)增容的功能。圖62.4充電系統(tǒng)充電系統(tǒng)采用模塊化拼接設計，滿足用戶擴展需求，IP54防護等級滿足戶外使用需求。充電系統(tǒng)通過自動功率分配功能，最大化利用現(xiàn)有功率配置更多的充電樁，結合儲能系統(tǒng)，滿足飛行區(qū)內電動車的充電需求。特別是，項目成功引進功率型增容型可分配功率技術，配合光伏發(fā)電和儲能技術（鈦酸鋰電池），最終實現(xiàn)了在不增加現(xiàn)有配電容量的前提下大幅度提高充電設備數(shù)量的目的，節(jié)省了一大筆配電系統(tǒng)擴容改造的費用，節(jié)能效果明顯。項目結合太陽能光伏發(fā)電和儲能技術，能夠實現(xiàn)白天使用光伏發(fā)電、夜間使用儲能供電的運行模式，在天氣不好或者儲能電量不足的情況下，市電進行補充用能，項目整體設計理念節(jié)能高效、綠色環(huán)保，具有很好的示范效應和推廣應用價值。目前該項目已經(jīng)完工，進入系統(tǒng)聯(lián)合調試和試運行階段。3、停車樓屋面光伏系統(tǒng)停車樓采光帶光伏發(fā)電示范項目位于首都機場綜合停車樓樓頂?shù)牟晒鈳希椖康脑O計理念是在盡量不影響采光帶使用功能的情況下，在采光頂平面上加裝太陽能光伏電池板，光伏發(fā)電就近并入當?shù)貦C場內交流母線。項目建設規(guī)模為431.6kW，共安裝1660

塊260W多晶硅組件，設計年均發(fā)電48.36萬kwh。系統(tǒng)采用預留基礎水泥基礎，并采用特殊設計的光伏一體化專業(yè)支架，能確保滿足承重和風雪載的要求。圖7

屋面光伏位置及接入電站位置圖該項目于2016年9月份投入運行以來，項目運行狀況良好。發(fā)電低壓并網(wǎng)，就地使用，節(jié)約能源的同時，也為首都機場呈現(xiàn)了一道亮麗的綠色風景。4、GTC玻璃穹頂光伏系統(tǒng)GTC屋面光伏膜發(fā)電項目，采用三點低壓并網(wǎng)的方式建設薄膜光伏發(fā)電系統(tǒng)，面積1000平米左右，裝機容量114.24kW。間隔鋪設，呈帶狀分布，發(fā)電就地自主消納。圖8呈帶狀分布的光伏薄膜4.1光伏組件的選擇首都機場GTC玻璃穹頂總面積約29000平米，周圍空曠、無高大建筑遮擋，太陽能資源較為豐富，加之夏季GTC內部二層溫度較高，在其頂部加裝光伏太陽能發(fā)電系統(tǒng)除了能夠發(fā)電自用之外，還能起到一部分隔熱遮陽的作用。GTC穹頂整體呈弧形、設計結構承重余量較小，考慮到整體安全性和安裝等多方面因素，最終選擇了高轉換效率柔性光伏組件。該柔性光伏組件具有輕、薄、柔特性，每平米安裝重量不大于2.9kg，可直接粘接在原有玻璃采光頂上，無需額外穿孔、壓載、支撐，對原結構不產(chǎn)生任何破壞，能夠保證原主體和玻璃采光頂結構的安全。該柔性組件背部自帶高性能彈性體（丁基）膠帶，該膠帶具有非常高的粘性和優(yōu)異的附著力和防水防潮性能。且該組件自身反光性能較弱，對航空運行沒有危害,不影響飛行安全。4.2光伏發(fā)電系統(tǒng)組成采用210W的薄膜太陽能組件544塊，使用36kW薄膜專用逆變器4臺，交流匯流柜2臺，并網(wǎng)柜1臺。采用組串型逆變器將薄膜太陽能組串直流電變?yōu)榻涣麟?，匯入交流匯流柜，然后進入并網(wǎng)柜以交流380V單回路并入用戶變電站的380V低壓母線實現(xiàn)并網(wǎng)。該項目于2020年9月正式投入運行以來，運行效果良好，1000平米的光伏發(fā)電系統(tǒng)，總發(fā)電量20000多千瓦時，節(jié)能效果顯著。另外，依托本項目，項目組申報的“大型機場玻璃穹頂光伏膜發(fā)電研究”科技項目被列為2019年首都機場集團公司科技創(chuàng)新項目，進行深入研究。5、水面光伏+儲能一體化系統(tǒng)

首都機場T3航站樓西湖水面光伏-儲能一體化發(fā)電項目位于首都機場T3航站樓西湖水面，為分布式光伏儲能一體化項目。項目共布置1塊水面光伏，總裝機容量81.84kW，儲能PCS容量100kW，儲能時長為4.8h，儲能總量為400kWh，所發(fā)電量通過2回400V低壓分別就近接入機場二高速連接線下面的箱變（400V低壓側）和南湖停車棚箱變（低壓側）。圖9

水面光伏5.1光伏陣列基礎目前市場上常見的水面光伏項目的光伏支撐基礎多選用漂浮式基礎和打樁式基礎，首都機場西湖水面較為開闊且水位深度較深。綜合施工難度和環(huán)境保護因素，本項目選擇漂浮式基礎。該基礎通過制作塑料浮箱或浮筒+工字鋼整體底座的形式漂浮于水面，浮體固定采用將浮體、連接桿和岸邊串聯(lián)在一起，或用纜繩錨固于岸上，水深處可采用錨塊沉于水底，纜繩牽引的錨固方法。圖10

漂浮式基礎5.2儲能設備的選擇因項目所在位置可用水面面積有限，在儲能電池的選擇上，項目優(yōu)先考慮占地面積較小、壽命長、穩(wěn)定性強的儲能電池，再綜合投入成本及性價比等因素，最終選用國內先進的鋰離子電池儲能系統(tǒng)——國產(chǎn)一線品牌磷酸鐵鋰鋰離子電池作為400kWh傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)。系統(tǒng)以400kWh為一個子單元，每個400kWh電池系統(tǒng)由4面電池柜組成，每面電池柜為100kWh，電池模組由單體電池3并12串組成。在合理管理的情況下，該系統(tǒng)能滿足12年的使用壽命。

圖11儲能電池圖

圖12

儲能箱體5.3水面光伏項目的優(yōu)點本項目為首都機場首例“水面光伏發(fā)電+儲能”項目，水面光伏項目相比于其它光伏項目，有著自身的優(yōu)勢和推廣應用價值。1)水面光伏項目依托水體表面，減少對耕地、林地、草地等土地資源的占用。2）光伏面板依托于基座漂浮在水面上，由于水的冷卻效果，水面光伏電站可比大型地面電站和屋頂分布式光伏電站獲得更多發(fā)電量；根據(jù)國內外的水上、陸地光伏電站對比實驗結果，與在屋頂及陸地上以相同角度設置的電池板相比，水上光伏發(fā)電量可以增加5%-15％。3)水面光伏項目可以遮蔽大量的水體，減少水庫蒸發(fā)，同時由于對太陽光的遮擋，形成較大的投影面，一定程度上抑制藻類成長，有利于水污染防治。該項目于2020年9月份建成投入運行以來，項目運行狀況良好。項目光伏發(fā)電和儲能一體化運行，低壓并網(wǎng)使用，節(jié)約能源的同時，也為首都機場呈現(xiàn)了一道獨特的水面光伏風光。機場光伏系統(tǒng)建設的思考與建議早在2008年，民航局就代表國家應對歐盟的碳排放交易稅，曾經(jīng)做了大量的工作。2017年，民航局提出了建設“四型機場”的指導方針，2018年國務院和北京市均發(fā)布了打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃等政策文件。最近，國家提出了“碳達峰碳中和目標（2030年前二氧化碳排放達到峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和的目標）”。這一系列方針政策的出臺和目標的提出，要求機場建設要以綠色技術為導向，用實踐去落實。可以預見，可再生能源將實現(xiàn)從補充能源到主流能源角色的轉變，其中，太陽能發(fā)電將是未來光伏繼續(xù)保持高速增長的重點（據(jù)報道2020年1－9月，我國光伏發(fā)電量同比增長17％。其中集中式光伏發(fā)電同比增長13％，分布式光伏發(fā)電量同比增長高達30％）。通過對光伏發(fā)展的調查和分析，筆者深為大興機場和首都機場的人士所感動，他們不愧是第一新國門和第一國門人！他們敢為人先、勇于擔當，以科技創(chuàng)新為動力，以綠色發(fā)展為理念，在建設“四型機場”的道路上辛勤努力，用科技創(chuàng)新點亮綠色國門。首都機場無論是光儲充一體化新技術的引入