背景介绍

　　2017年，民航局提出了建设四型机场的指导方针，2018年国务院和北京市均发布了打赢蓝天保卫战三年行动计划，同年，首都机场集团公司根据4-3-4-1总体工作思路，提出了建设运营一体化推进绿色机场建设的指导方针，并出台了《首都机场集团公司绿色机场建设指导纲要》。一系列方针政策的出台，要求我们的机场建设要以绿色技术为导向，用实践去落实政策。 

　　首都机场作为第一国门，在建设绿色机场的过程中，始终坚持以绿色发展理念为导向，不默守陈规，大胆创新思路，在传统光伏发电技术的基础上不断挖深、挖潜，从空间、深度上来拓展光伏发电技术思路，先后将“光伏发电+储能”技术和“光储充一体化功率型增容充电车棚”等行业前沿技术引进到项目中来，还创新性的将光伏发电技术应用在了首都机场GTC绿化屋面、首都机场GTC玻璃穹顶屋面、首都机场西湖水面等位置，不但从空间上拓展了光伏发电的应用范围，也从实践上拓宽了光伏发电的技术思路。 

　　第一部分：装配式建筑屋面光伏+储能 

　　2018年，首都机场完成全面机坪管制移交工作，为了给新增的机坪管制员提供一个日常倒班休息和会议的环境，首都机场实施了“首都机场东区机坪管制塔台生活设施改善项目”，该项目建筑面积1088平方米，项目采用标准化、模块化箱体设计，整个建筑由44个标准集装箱柜体组合而成。项目将“光伏发电+储能”技术与装配式建筑相结合，成功打造一个“超低能耗”绿色装配式示范建筑。 

　　项目利用装配式建筑的箱体标准化设计、自由组合、场外预制等特点，将光伏建筑一体化系统、储能逆变系统、EMS智慧能源管理系统、光伏板智能清扫机器人系统融合在一起，形成了一套智能化、立体化的“光伏+储能+运维”技术体系。 

　　（一）光伏建筑一体化系统 

　　项目采用屋面光伏一体设计方式，工厂预留光伏组件埋件及孔洞，现场安装。屋面光伏采用单晶高效太阳能电池组件，组件功率330瓦，转化效率19.98%，光伏面积约783平米，根据项目实际可用屋面面积，最好的天气情况下每天能发电约300多度。经测算，该发电量与本建筑的空调、照明等生活用电负荷基本相当。同时，太阳能光伏组件平铺在屋面，与屋面用铝合金支架固定连接，光伏板与屋面之间形成一个10公分左右的架空层，太阳能光伏组件在发电的同时也可以起到屋面隔热层的作用。 

　　表1光伏组件配置表 

　　图1  太阳能光伏发电系统 

　　（二）储能逆变系统 

　　本项目储能系统分为固定式储能装置和移动式储能系统两部分，储能系统以储能蓄电池为载体，通过储能双向变流器实现交流、直流电能变换，“光伏储能系统——负载”与“市电——负载”两条链路通过STS电气设备实现相互切换。如图2和图3所示。 

图2固定式储能箱

图3能逆变系统图 

　　可移动式储能系统：采用移动储能平台的形式，将储能电池及控制系统集成放置于可移动储能平台上，在保障建筑常规用电情况下，还能通过机场内的牵引车整体将移动储能平台移动到其他场所，应对机场紧急用电情况，多重保障提高机场电力供应的可靠性，为机场设施的安全运行增加一道保险。如图4所示。 

图4 可移动储能系统 

　　（三）EMS智慧能源管理系统 

　　项目有一套EMS智慧能源管理系统，该系统用来采集光伏、储能、市电处、负载侧的功率，监测光伏及储能系统的运行状态。项目采取“光伏及储能为主电源、市电为备用电源”的运行方案，在市电与光伏储能之间增加静态转换开关STS实现自动切换。光伏系统作为固定储能、移动储能、负载的主要电源，以一个独立的微网系统的方式为建筑内的用电设备进行供电，有效避免了光伏发电系统对市电的稳定性干扰等运行风险。整个光伏和储能系统由EMS智慧能源管理系统来自动控制运行。 

EMS智慧能源管理系统 

　　（四）光伏板智能清扫机器人系统 

　　屋面光伏板在灰尘较多或者有积雪的情况下，其发电效率会大打折扣，为了解决这个问题，项目为光伏板配备了智能清扫机器人系统，该系统可设定每日工作频次和时间，系统本身自带光伏发电设备，可长期不间断为屋面光伏板进行清洁维保工作。提高了工作效率的同时，也降低了光伏发电系统的运维成本。 

图6 太阳能光伏板智能清扫机器人 

　　项目运行四个月以来，运行效果良好，783平米的屋面光伏发电系统，累计总发电量25000多度，累计节省标准煤将近10000kg，累计减少二氧化碳排放25000多kg，节能效果显著。该建筑在天气良好的情况下，基本能够实现“白天光伏系统供电+夜间储能系统供电”的运行模式，成功实现建筑24小时“零能耗”运行。 

　　另外，项目组依托该项目开展科技研究，获得了一系列科技成果如下： 

　　1、“机场空侧区域绿色智能房屋建筑设计项目”获得了“2018年度股份公司创新设计大赛十佳”作品奖； 

　　2、“大型机场空侧绿色、智慧装配式建筑技术应用研究项目”被列为2019年首都机场集团公司科技创新项目，计划于2020年12月份结题； 

　　3、“首都机场东区机坪管制塔台生活设施改善项目”获得民航局2020年度四型机场示范项目； 

　　4、“首都机场生活配套装配式模块化零能耗建筑”研究课题申报了“十三五”国家重点研发计划示范工程，目前该课题已通过专家评审，并向科技部21世纪中心备案；计划2020年12月份结题。 

　　第二部分：光储充一体化功率型增容充电车棚 

　　2002年初，响应北京市“打赢蓝天保卫战三年行动计划”，首都机场飞行区内新增和替换了一批电动新能源车。为了解决电动车辆充电问题，首都机场新建了一批集光伏、储能、充电和停车为一体的充电车棚。 

　　项目实施之初，项目组发现飞行区内能够为该批充电设施提供的电容量剩余资源严重不足，为了解决这个问题，项目组经过市场调研，引入了可分配功率技术和功率型增容系统。 

　　可分配功率通常用于一机多桩的充电设备，即一个充电机同时给多个充电桩供电，系统可以自动将充电机的功率平均分配给在用的充电桩，也可以人工给每个充电桩设置固定的分配功率。 

　　功率型增容系统则是利用了钛酸锂电池擅长快速、频繁充放电的特点，随时监测市电状态，只要市电功率存在盈余，系统就会控制储能柜实施充电蓄能，一旦监测到充电机的供电功率不足，系统就会控制储能柜配合市电同步快速放电，从而满足充电机的功率，最终达到在有限供电容量条件下可增加更多充电机的目的。 

　　（一）项目布局 

　　该光储充系统分别在首都机场飞行区1号门、2号门、T3D南端、T3E南端4个区域各建1套，共计有 62个充电车位。每套系统主要包括：光伏系统、储能系统和充电系统。   

　　图7 太阳能光储充一体化车棚 

　　（二）光伏系统 

　　本项目的光伏发电系统采用双玻半透明光伏组件，运用C型钢檩条+压块的固定方式，在发挥停车棚遮阳防雨基本功能的同时，又具备太阳能发电功能，组件采用20块/串的最佳组串方式进行配置，按车棚顶面积设计安装33串、共648块光伏组件，装机容量共200.88kWP。光伏组件发电后通过光伏逆变器接入现场配电箱，所发电能全部通过储能系统进行回收存储，最终用于充电系统，通过能源管理系统（EMS）自动调度，自发自用，系统所发电能并网但不上网。 

图8太阳能棚顶光伏发电组件 

　　（三）储能系统 

储能系统采用标准工业集装箱做保护壳，内部设有隔热层，分为电池舱和电气舱两部3分空间。箱体满足IP54防护等级，具有防腐涂层，内部配置消防系统、空调系统、照明系统和储能双向变流器（PCS），并搭载了能量管理系统（EMS）。4个停车棚点位配置4套储能系统：1号门处配置100kW/88.7kWh储能系统；2号门处配置200kW/177.4kWh储能系统；T3D和T3E处均配置250kW/266.1kWh的储能系统。储能设备和光伏设备接受EMS调度，实时监测市电基本状态参数，存储光伏系统所发电能，并根据充电桩的实际负荷需求智能控制电流流量，使功率型储能产品实现增容的功能。

图9太阳能发电储能系统 

　　（四）充电系统 

　　充电系统采用模块化拼接设计，满足用户扩展需求，IP54防护等级满足户外使用需求。1号门系统布置2台充电机，功率分别为75kW和60kW，8台单枪充电桩，其中有1台为不可限功率充电桩，在储能系统供电不足时，至少可以保证1个车位可用；2号门系统布置4台功率为75kW的充电机，14台单枪充电桩，其中有4台为不可限功率充电桩，在储能系统供电不足时，至少可以保证4个车位可用；T3D系统布置5台充电机，3台功率75kW，2台功率60kW，20台双枪充电桩，其中有3台为不可限功率充电桩，在储能系统供电不足时，至少可以保证3个车位可用；T3E系统布置5台充电机，4台75kW，1台60kW，20台双枪充电桩，其中有4台为不可限功率供电桩，在储能系统供电不足时，至少可以保证4个车位可用。充电系统通过自动功率分配功能，最大化利用现有功率配置更多的充电桩，结合储能系统，满足飞行区内电动车的充电需求。 

　　首都机场四个点位能够提供的市电供电最大电流分别为100A、250A、300A、400A，整定后，实际最大可用电流分别为：90A、224A、280A、340A，经过功率折算：1号门系统的实际功率为59.2kW；2号门系统的实际功率为147.4kW；T3D系统的实际功率为184.3kW；T3E系统的实际功率为223.8kW。如果该项目不考虑配置可分配功率充电桩和储能系统，现场可布置快充桩的数量将十分有限，表2是不同状况下的可配置充电桩数量的对比，可见功率型增容型可分配功率技术的优势非常明显。 

　　表2不同技术条件下充电桩数量对比表 

　　图10 充电桩 

　　首都机场光储充车棚项目成功引进功率型增容型可分配功率技术，配合光伏发电和储能技术，最终实现了在不增加现有配电容量的前提下大幅度提高充电设备数量的目的，节省了一大笔配电系统扩容改造的费用，节能效果明显。 

　　项目结合太阳能光伏发电和储能技术，能够实现白天使用光伏发电、夜间使用储能供电的运行模式，在天气不好或者储能电量不足的情况下，市电进行补充用能，项目整体设计理念节能高效、绿色环保，具有很好的示范效应和推广应用价值。目前该项目已经完工，进入系统联合调试和试运行阶段。 

　　第三部分：停车楼屋面光伏系统 

　　北京首都国际机场GTC采光带光伏发电示范项目位于首都机场综合停车楼楼顶的采光带上，项目的设计理念是在尽量不影响采光带使用功能的情况下，在采光顶平面上加装太阳能光伏电池板，光伏发电就近并入当地机场内交流母线。项目建设规模为 431.6kW， 共安装 1660 块 260W 多晶硅组件，设计年均发电 48.36万千瓦时。系统采用预留基础水泥基础，并采用特殊设计的光伏一体化专业支架，能确保满足承重和风雪载的要求。 

　　表3  光伏板布置情况分布表 

图11   屋面光伏位置及接入电站位置图 

　　本项目光伏发电系统总装机容量为431.6kW，根据国家电网公司《光伏电站接入电网技术规定》（Q/GDW617-2011），按照实际需求，采用0.4kV电压等级进行并网的方式，共计三个点位低压接入点。 

图12 电气系统接入模式图 

　　（一）系统安装方式 

　　在光伏发电系统设计中，光伏组件阵列的运行方式对发电系统接收到的太阳总辐射量有很大的影响，从而影响到光伏发电系统的发电能力。光伏组件的运行方式有固定式、单轴跟踪、双轴跟踪等方式。本项目从系统的安装成本、发电效率、运维成本及便捷性等方面对以上三种安装方式进行了综合对比分析计算，最终选择了固定式安装。 

　　表4光伏系统运行方式对比表 

图13   固定式安装支架图 

　　（二）光伏组件安装角度和间距 

　　系统电池组件的倾斜角度以及前后方阵光伏板遮挡问题对发电效率影响很大，必须经过专业计算，确定最佳安装角度以及排布间距。本项目综合考虑项目地理位置、全年太阳辐射分布、直接辐射与散射辐射比例、负载供电要求和特定的场地条件等因素，使用光伏专业优化设计软件进行优化设计，并结合当地具体气象资料综合核算，确定本系统的电池板倾角为37度，横放布置，前后排间距不少于1.43米。 

图14 电池板位置及间距图 

　　该项目于2016年9月份投入运行以来，项目运行状况良好。项目在不影响GTC屋面玻璃采光带采光的情况下，平稳高效运行，光伏发电低压并网，就地使用，节约能源的同时，也为首都机场呈现了一道亮丽的绿色风景。 

　　第四部分：GTC玻璃穹顶光伏系统 

　　首都机场GTC屋面新增光伏膜发电项目，是为了充分利用GTC玻璃穹顶闲置屋面，开发首都机场丰富的太阳能资源而建设的薄膜光伏充发电系统，项目采用三点低压并网的方式建设薄膜光伏发电系统，面积1000平米左右，装机容量114.24kW，采取间隔铺设的形式呈带状分布，发电就地自主消纳。 

图15 呈带状分布的光伏薄膜 

　　（一） 光伏组件的选择 

　　首都机场GTC玻璃穹顶总面积约29000平米，周围空旷、无高大建筑遮挡，太阳能资源较为丰富，加之夏季GTC内部二层温度较高，在其顶部加装光伏太阳能发电系统除了能够发电自用之外，还能起到一部分隔热遮阳的作用。GTC穹顶整体呈弧形，设计结构承重余量较小，如果采用常规的晶硅光伏板组件，无论是光伏组件自身重量还是安装难度都无法保证项目的整体安全性。综合考虑各方面因素，项目最终选择了高转换效率柔性光伏组件。该柔性光伏组件具有轻、薄、柔特性，每平米安装重量不大于2.9kg，可直接粘接在原有玻璃采光顶上，无需额外穿孔、压载、支撑，对原结构不产生任何破坏，能够保证原主体和玻璃采光顶结构的安全。该柔性组件背部自带高性能弹性体（丁基）胶带，该胶带具有非常高的粘性和优异的附着力和防水防潮性能。且该组件自身反光性能较弱，对航空运行没有危害,不影响飞行安全。 

图16 薄膜太阳能组件 

　　（二） 光伏发电系统组成 

　　本项目采用210W的薄膜太阳能组件544块，装机容量114.24kW，使用36kW薄膜专用逆变器4台，交流汇流柜2台，并网柜1台。采用组串型逆变器将薄膜太阳能组串直流电变为交流电，汇入交流汇流柜，然后进入并网柜以交流380V单回路并入用户变电站的380V低压母线实现并网。 

　　图17  电气系统图 

　　该项目于2020年9月正式投入运行以来，运行效果良好，1000平米的光伏发电系统，总发电量20000多度，节能效果显著。 

　　另外，依托项目的实施，项目组申报的“大型机场玻璃穹顶光伏膜发电研究”科技项目被列为2019年首都机场集团公司科技创新项目，该科技项目计划于2020年12月份结题； 

　　第五部分：水面光伏+储能一体化系统 

　　首都机场T3航站楼西湖水面光伏-储能一体化发电项目位于首都机场T3航站楼西湖水面，为分布式光伏储能一体化项目。项目共布置1块水面光伏，总装机容量81.84kWp，储能PCS容量100kW，储能时长为4.8h，储能总量为400kWh，所发电量通过2回400V低压分别就近接入机场二高速连接线下面的箱变（400V低压侧）和南湖停车棚箱变（低压侧）。 

　　表5  光伏安装容量、逆变器配置表 

　　（一） 水面光伏项目的优点 

　　本项目为首都机场首例“水面光伏发电+储能”项目，水面光伏项目相比于其它光伏项目，有着自身的优势和推广应用价值。 

　　1、水面光伏项目依托水体表面，减少对耕地、林地、草地等土地资源的占用。 

　　2、光伏面板依托于基座漂浮在水面上，由于水的冷却效果，水面光伏电站可比大型地面电站和屋顶分布式光伏电站获得更多发电量；根据国内外的水上、陆地光伏电站对比实验结果，与在屋顶及陆地上以相同角度设置的电池板相比，水上光伏发电量可以增加5%-15％。 

　　3、水面光伏项目可以遮蔽大量的水体，减少水库蒸发，同时由于对太阳光的遮挡，形成较大的投影面，一定程度上抑制藻类成长，有利于水污染防治。 

图18  水面光伏 

　　（二） 光伏组件的选型 

　　本工程为分布式光伏电站，整个项目面积紧凑，且近年单晶硅组件成本逐渐降低，投资回报率可与多晶硅组件持平。单晶硅组件相对更高的输出功率使电站尽可能集约化，土地面积得以充分利用。综上因素，本项目最终采用310Wp单晶硅组件。 

图19   单晶硅组件图图

图20 单晶硅组件阵列

　　（三） 储能设备的选择 

　　由于项目所在位置可用水面面积有限，在储能电池的选择上，项目优先考虑占地面积较小，寿命长，稳定性强的储能电池，再综合投入成本及性价比等因素，本项目最终选用国内先进的锂离子电池储能系统——国产一线品牌磷酸铁锂锂离子电池作为400kWh传统储能系统，该系统在合理管理的情况下，能满足12年的使用寿命。该储能系统以400kWh为一个子单元，每个400kWh电池系统由4面电池柜组成，每面电池柜为100kWh，电池模组由单体电池3并12串组成。 

图21 储能电池图    

图22  储能箱体 

　　（四） 光伏阵列基础 

　　目前市场上常见的水面光伏项目的光伏支撑基础多选用漂浮式基础和打桩式基础，首都机场西湖水面较为开阔且水位深度较深，综合施工难度和环境保护因素，本项目选择漂浮式基础。该基础通过制作塑料浮箱或浮筒+工字钢整体底座的形式漂浮于水面，浮体固定采用将浮体、连接杆和岸边串联在一起，或用缆绳锚固于岸上，水深处可采用锚块沉于水底，缆绳牵引的锚固方法。 

图23  漂浮式基础 

　　该项目于2020年9月份建成投入运行以来，项目运行状况良好。项目光伏发电和储能一体化运行，低压并网使用，节约能源的同时，也为首都机场呈现了一道独特的水面光伏风光。 

　　第六部分：小结 

　　首都机场近年来一系列不同形式光伏发电项目的实施和落地，是贯彻民航局建设四型发展理念的具体实践，是在绿色发展和创新道路上不断努力探索的结果，无论是光储充一体化新技术的引入，还是水面光伏和大面积玻璃穹顶柔性光伏膜的应用，都极具挑战性，尤其是GTC玻璃穹顶光伏发电项目，目前国内尚无如此大面积公共建筑的应用先例。 

　　未来，首都机场将继续秉承勇于担当、敢为人先的创新精神，以科技创新为动力，以绿色发展为理念，在建设四型机场的道路上继续努力，用科技创新点亮绿色国门。 (樊向荣)