• 登录  |  注册

  • 机场建设中光伏系统建设的思考与建议

    徐军库 编 辑:张薇 2021-01-08 14:41:00

      一、太阳能及应用背景 

      太阳能是指太阳以电磁能的形式发射、传播或接收的辐射能,是一种最清洁、安全和可靠的能源。由于太阳能永不枯竭,也属于可再生能源。同时,太阳能适用范围广,电站修建成本低于其他清洁能源,电站运营不污染环境等。因此,太阳能是目前一个十分重要的可再生绿色能源。充分利用太阳能资源,是缓解能源供需矛盾、解决未来能源短缺的一个重要途径甚至是必经之路。 

      太阳能的开发利用有太阳能光热转换、光电转换以及光化学转换等多种形式。 

      我国太阳能资源丰富,对太阳能的开发利用主要集中在光热利用和光电利用。太阳能光热应用是指太阳能热发电,它是通过转换装置把太阳辐射能转换为热能加以利用,再利用热能进行发电;太阳能光电应用,就是利用太阳电池直接将太阳光能转化为电能,因为这种转换是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换,因此,太阳能发电又称为光伏发电,其应用主要包括独立发电系统、并网发电系统和混合系统等。光伏产业则指的是以硅材料的生产应用为核心所形成的产业。 

      目前,我国乃至全世界,电能的产生多为火力发电以及水力发电,其中,火电发电所需能源为不可再生能源,而水力发电受季节性气候影响比较大,因此,从目前发展局势来看,世界能源正处于一种逐步枯竭的状态,人类正在经历着能源转型。 

      据专业研究指出,太阳能光伏发电每1千瓦时的电就相应节约了0.4千克标准煤,4升净水,同时减少了0.272千克碳粉尘,0.997千克二氧化碳,0.03千克二氧化硫,0.015千克氮氧化物。 

      二、传统的太阳能应用 

      在民航,传统的太阳能应用,场地往往在于远离飞行区或航道的位置,如货运楼、远离飞行区的空地。典型的案例如下。 

      1)上海虹桥机场 

      2010年,虹桥机场在2号航站楼的西货运站屋顶铺设了装机容量为2.848MW太阳能电池组件,年平均上网电量约为277Wh,每年可为电网节约标煤约987吨。 

      2)深圳宝安机场 

      太阳能发电一期项目总装机容量是10MW,太阳板块主要分布在机场保税物流园区和航空物流园区,共利用屋顶面积约7万平方米。20133月一期项目开始逐步并网发电,运行安全稳定,截至201410月底累计发电量近1700KWh,其中201474日创下了单日发电量5.6kWh的最高纪录。 

      20141115二期10MW项目正式开工。二期的太阳能板则安装在新货运站。此项目完成后,机场的总太阳能发电装机容量达20MW,每年发电约为2000KWh,从而跃身成为全球民航机场中太阳能规模最大的机场 

      作为目前为止国内机场区域已建成的容量最大的太阳能光伏发电项目,该项目不仅具有良好的经济效益和环境效益,而且取得了良好的社会效益。项目也因此而被评为“深圳市治污保洁工程优秀项目 ”二等奖。 

      3)上海浦东机场 

      201411月,浦东机场建成1.7MW太阳能发电系统,位于机场的1号和2号航站楼之间。该项目为太阳能建筑一体化项目,占地15000平方米,用以满足机场停车设施和装卸设备的需求,还可为机场户外的空调设备遮阳。 

      三、创新的太阳能应用 

      近几年,以大兴国际机场和首都国际机场为代表,不少机场勇于创新、不断探索,在太阳能利用方面做出了可喜的成绩,应用场地和场景,让人眼前一亮。 

      1、大兴国际机场 

      大兴机场在飞行区侧向跑道(东一跑道)附近,建设太阳能光伏发电系统,安装面积约7万平方米,总装机容量约为3.0MW年均发电量可达329KWh,系统设计寿命25。在飞行区里建设太阳能光伏系统,这在全球民航属于首创! 

      2、首都机场 

      作为第一国门的首都机场,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,还创新性地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。 

      1装配式建筑屋面光伏+储能 

      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(44个标准集装箱柜体、建筑面积1088平方米、光伏面积约783平米)、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,并成功打造了一个“超低能耗”绿色装配式示范建筑。 

      1)光伏建筑一体化系统 

      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%。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300KWh。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。 

    微信图片_20200907194552.jpg微信图片_20191212143843.jpg 

    1  太阳能光伏发电系统 

      2)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。 

      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。 

    微信图片_20200908121106.jpg 

    2 可移动储能系统 

      3EMS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。 

      4)光伏板智能清扫机器人系统 

      项目为光伏板配备了智能清扫机器人系统,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。 

    微信图片_20191212150520.jpg微信图片_20191212150309.jpg 

    3  太阳能光伏板智能清扫机器人 

      项目运行以来,运行效果良好,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。 

      2)光储充一体化功率型增容充电车棚 

      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。 

      1)项目布局 

      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。   

     

    4 太阳能光储充一体化车棚 

      2)光伏系统 

      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/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。 

     

    5 太阳能棚顶光伏发电组件 

      3)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。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。 

     

    6 太阳能发电储能系统 

      4)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。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。 

      特别是,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(钛酸锂电池),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。 

      3)停车楼屋面光伏系统 

    停车楼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 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。 

    GTC位置图.bmp 

    7   屋面光伏位置及接入电站位置图 

      该项目于20169月份投入运行以来,项目运行状况良好。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。 

      4GTC玻璃穹顶光伏系统 

      GTC屋面光伏膜发电项目,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。间隔铺设,呈带状分布,发电就地自主消纳。 

    微信图片_20201128230038.jpg 

    8   呈带状分布的光伏薄膜 

      1)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,考虑到整体安全性和安装等多方面因素,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。 

      2)光伏发电系统组成 

    采用210W的薄膜太阳能组件544块,使用36kW薄膜专用逆变器4台,交流汇流柜2台,并网柜1。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。 

      该项目于20209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多千瓦时,节能效果显著。 

      另外,依托本项目,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,进行深入研究。 

      5)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2400V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)。 

    微信图片_20201123085036.jpg 

    9  水面光伏 

      1)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。 

     

    10  漂浮式基础 

      2)储能设备的选择 

      因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,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。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312串组成。在合理管理的情况下,该系统能满足12年的使用寿命。 

     

    11储能电池图              12  储能箱体 

      3)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。 

      该项目于20209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。 

      四、机场光伏系统建设的思考与建议 

      早在2008年,民航局就代表国家应对欧盟的碳排放交易税,曾经做了大量的工作。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等政策文件。最近,国家提出了“碳达峰碳中和目标(2030年前二氧化碳排放达到峰值,2060年前实现碳中和的目标)”。这一系列方针政策的出台和目标的提出,要求机场建设要以绿色技术为导向,用实践去落实。可以预见,可再生能源将实现从补充能源到主流能源角色的转变,其中,太阳能发电将是未来光伏继续保持高速增长的重点(据报道202019月,我国光伏发电量同比增长17%。其中集中式光伏发电同比增长13%,分布式光伏发电量同比增长高达30 

      通过对光伏发展的调查和分析,笔者深为大兴机场和首都机场的人士所感动,他们不愧是第一新国门和第一国门人!他们敢为人先、勇于担当,以科技创新为动力,以绿色发展为理念,在建设“四型机场”的道路上辛勤努力,用科技创新点亮绿色国门。 

      首都机场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。 

      两个机场一系列极具挑战性的、不同形式光伏发电项目的实施和落地,给民航在能源转型和“四型机场”建设中做出了很好的表率,也给正在犹豫是否建设太阳能利用系统的机场吃了一颗定心丸:在机场区域甚至在核心区域可以大量利用太阳能,并不会影响到飞行安全和运行安全 

      对此,笔者建议,在太阳能应用方面: 

      1. 打消疑虑——太阳能在机场应用必然会飞行安全和运行安全产生影响或隐患,积极推进。只要充分分析、研究并使用得当,机场所采用的太阳能系统完全可以避免反光、炫光对飞行员的影响,可以避免对通信导航设施的电磁影响,可以避免对运行安全的影响; 

      2. 摸清现状和潜力。对于所在区域资源禀赋和机场资源(特别是能源消耗)整体摸清。若具有太阳能资源禀赋可以利用,则把控住和规划明确的建设规范、建设目标; 

      3. 全面规划并综合评估。在光伏规划中,应首先明确可利用的建筑(屋顶或侧面)、地面、水面、路侧或斜坡等区域的可利用量;并先应对安全性评估,确保安全和防止成为新的不良障碍物,再考虑如何使用或存储; 

      4. 保护生态。由于光伏与生态的关系与区域环境息息相关,因此,在进行光伏建设时应首先对现状环境进行勘测评估,并结合场地环境进行光伏的设计,从而减少对当地生态的干扰或根据具体问题进行生态修复。 

      因光伏发电渗透率较低,未来将成为全球主流的发电来源线路,市场空间巨大。而光伏发电绿色清洁的属性 ,也非常符合全球各国可持续发展的目标,且各国都有相应的绿色发展计划。故,我国民航应积极推进太阳能利用。 

      感谢大兴机场陈龙、首都机场王瑞锋、银隆公司樊向荣和清华大学何继江博士。(作者:徐军库,单位:中国民航机场建设集团有限公司机场工程技术中心 北京中企卓创科技发展有限公司 )