海外某电力缺乏地区机场的太阳能发电系统设计与研究

张皓驰

摘要：供电系统是机场建设工程的重要组成部分。牙买加的电费一直比较高昂，属于电力建设落后地区，本文较详细地介绍了适合于本项目的太阳能供电设计及改进措施的研究。

关键词：太阳能、机场、供电系统、电力落后地区、经济性

Analysis for solar power generation system of lacking power area airport

Zhang Hao-chi

（Airport Investigation and design Institute Co. Ltd， Guangzhou， 510230）

Abstract： Power supply system is very important for airport. Jamaica's electricity cost have been relatively high for long time， it’s a power facility backward area. This article introduces the design and improvement of solar power generation system for this project.

Keywords： Solar generation， Airport， Power supply system； Power facility backward area， economy

1. 机场当地的气候及太阳能资源

项目所在地牙买加位于加勒比海西北部，地处北纬17.42度至18.31度，西经76.11度至78.22度，热带雨林气候。每年5-6月、9-11月为雨季，其中1月和5月阵雨最多。12月至次年3月为干旱季节，天气转凉。6-11月底的半年时间为飓风和热带风暴多发期常受飓风侵袭。中北部地区雨量丰富，气候一般处于22-32度间，年平均温度为27度。

影响光伏发电系统发电量的最大因素为太阳辐射量，其次为当地的温度，由于热带雨林气候常年环境温度均较高，会导致光伏发电系统的效率出现一定的降低。由于该地地处海岛，而且属于热带雨林气候，因此影响光伏发电量的灰尘遮挡因素相对较小。

Kingston的Norman Manley机场的太阳辐射数据如下表（数据来源于NASA）。

月 份 各月水平面上的平均日辐射（kWh/m²/日） 月平均温度（℃） 各月光伏阵列水平面上的平均日輻射（kWh/m²/日）

一月 4.36 26.7 5.02

二月 4.89 26.7 5.36

三月 5.33 27.2 5.54

四月 5.50 27.8 5.43

五月 6.67 28.3 6.30

六月 5.28 29.4 4.95

七月 6.11 29.4 5.73

八月 5.94 29.4 5.76

九月 5.44 28.9 5.53

十月 5.11 28.9 5.51

十一月 4.64 28.3 5.29

十二月 4.31 27.2 4.99

根据计算，光伏方阵的最佳倾角采用固定式面向正南方向16°时可以获得的日均太阳辐射量为5.45 kWh/m²，太阳能资源相当好，适合采用太阳能发电来替代现有的电力供应。

2. 太阳能发电系统的基本构造及安装位置

光伏并网系统原理图

光伏并网发电系统主要由光伏组件、光伏阵列防雷汇流箱、直流配电柜、光伏并网逆变器、交流配电柜（交流开关柜）、升压变压器等设备构成。

光伏系统中，光伏组件需要的占地面积较大，一般安装在建筑屋顶或者闲置地面，光伏阵列汇流箱安装在光伏方阵内。并网逆变器等电气设备放置在现有配电房，也可以采用集装箱形式放置在室外。

因牙买加机场航站楼、货运站等可安装太阳能光伏组件的建筑为现有设施，改造存在一定的难度和风险，故不建议将太阳能光伏组件安装在现有建筑屋顶。机场航站楼前现有各类停车场的面积约为4万平方米，满足机场所需太阳能系统所需的安装空间，拟在停车场增设遮阳棚，将所有的太阳能光伏面板放置在遮阳棚顶部，既节省了机场宝贵的土地资源，又增加了停车的舒适度。

预计建成后停车场效果

3. 拟建设的太阳能系统方案

机场目前主要靠外部电网供电，设置了两套容量为4.16MVA发电机和一套容量为3.5MVA发电机作为备用电源。目前机场总的用电容量为2600KVA。

机场目前由外部电网供给的电价约为0.42美元/千瓦时，电价非常高，考虑到远期机场的发展对电力消耗的需求，拟在机场装设发电容量为4000kWp的太阳能系统。

根据牙买加机场现状的航班时刻表，机场现状为每天运营16个小时。待太阳能系统建成后，一部分电能供机场白天使用，多余的电能可通过输送给电网、蓄电池储存自用、或者输送给机场附近用电单位的方式进行处理，后续章节将进行详细论述。

4. 耗电量与发电量分析

机场用电容量近期为2600kVA，中期为3000kVA，远期为4000kVA。运营期内的平均耗电量按照中期的3000kVA进行计算，由此可得机场年平均耗电量为624.96万千瓦时。

根据总体方案，光伏发电系统各年发电量和机场自身用电量如下表：

时 间 第1年 第2年 第3年 第4年 第5年

机场累计年耗电量（度） 6，249，600 12，499，200 18，748，800 24，998，400 31，248，000

年发电量（度） 6，365，600 6，314，676 6，263，752 6，212，824 6，161，900

累计发电量（度） 6，365，600 12，680，276 18，944，028 25156852 31，318，752

时 间 第6年 第7年 第8年 第9年 第10年

机场累计年耗电量（度） 37，497，600 43，747，200 49，996，800 56，246，400 62，496，000

年发电量（度） 6，110，976 6，060，052 6，009，128 5，958，200 5，907，276

累计发电量（度） 37，429，728 43，489，780 49，498，908 55，457，108 61，364，384

时 间 第11年 第12年 第13年 第14年 第15年

机场累计年耗电量（度） 68，745，600 74，995，200 81，244，800 87，494，400 93，744，000

年发电量（度） 5，856，352 5，805，428 5，754，504 5，703，576 5，652，652

累計发电量（度） 67，220，736 73，026，164 78，780，668 84，484，244 90，136，896

时 间 第16年 第17年 第18年 第19年 第20年

机场累计年耗电量（度） 99，993，600 106，243，200 112，492，800 118，742，400 124，992，000

年发电量（度） 5，601，728 5，550，804 5，499，880 5，448，952 5，398，028

累计发电量（度） 95，738，624 101，289，428 106，789，308 112，238，260 117，636，288

时 间 第21年 第22年 第23年 第24年 第25年

机场累计年耗电量（度） 131，241，600 137，491，200 143，740，800 149，990，400 156，240，000

年发电量（度） 5，347，104 5，296，180 5，245，256 5，194，328 5，143，404

累计发电量（度） 122，983，392 128，279，572 133，524，828 138，719，156 143，862，560

在该地建设4MWp光伏发电系统，25年可以获得总计14386.26万千瓦时的发电量，该系统年平均发电量为575.45万千瓦时。

机场利用太阳能采光发电时间为日均10个小时，需采用市电发电的时间段为日均6个小时。计算可得可利用太阳能供电时段的平均年耗电量为390.6万千瓦时，需要利用市电进行供电时段的平均年耗电量为234.36万千瓦时。

5. 光伏发电供电方案

区域太阳能系统并入城镇电网的可能性较小，电池储存多余电量的成本过高，因此本次机场项目推荐按以下方案实施：机场建设的太阳能发电系统在有阳光时保障机场内部用电需求，同时太阳能系统预留外部接入口，以有偿的方式供给机场附近的用电单位使用，当无阳光时机场依旧采用市电。

在为机场节省电费的同时，多发出的电能可以为机场创造收入。

假设机场供给外部单位的电价为0.105美元/度时，根据耗电量与发电量分析，机场可节省和创造的收益如下：

平均每年可通过太阳能发电系统供给自用所节省费用为390.6万千瓦时x0.42美元=164.05万美元；

平均每年可通过太阳能发电系统多发出的电能创造的收益为（575.45-390.6）千瓦时x0.105美元=19.41万美元；

合计平均每年节省电费合计为18.34万美元。

太阳能发电系统投资为1.58美元/瓦，停车场改造投资为3.64美元/瓦，外部接入费用由用电电位自理，由此可得前期投入合计5.22美元/瓦。本工程前期共需投入费用为5.22美元/瓦x4000kW=2088万美元。

根据本系统每年可为机场节省电费183.46万美元，投资回收期为2088/183.46=11.4年，因此太阳能发电系统运行第12年时可收回全部投入的成本，并在后面13年间平均每年为机场节省183.46万美元电费。

参考文献：

【1】明瑞， 周少武.20 MW光伏发电系统与电气一次设计， 湖南工业大学学报，2016，30（2）： 26-31.

【2】 杨晓红. 光伏系统并网管理应用项目研究[D]. 北京：华北电力大学，2014.

【3】 王长贵，王斯成. 太阳能光伏发电实用技术[M]. 北京：

化学工业出版社，2005：13-26.

【4】赵争鸣，雷一，贺凡波，等. 大容量并网光伏电站技

术综述[J]. 电力系统自动化，2011，35（12）：101-107.