海外某電力缺乏地區機場的太陽能發電系統設計與研究

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　　摘要：供電系統是機場建設工程的重要組成部分。牙買加的電費一直比較高昂，屬于電力建設落后地區，本文較詳細地介紹了適合于本項目的太陽能供電設計及改進措施的研究。
　　關鍵詞：太陽能、機場、供電系統、電力落后地區、經濟性
　　Analysis for solar power generation system of lacking power area airport
　　Zhang Hao-chi
　?。ˋirport 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. 機場當地的氣候及太陽能資源
　　項目所在地牙買加位于加勒比海西北部，地處北緯17.42度至18.31度，西經76.11度至78.22度，熱帶雨林氣候。每年5-6月、9-11月為雨季，其中1月和5月陣雨最多。12月至次年3月為干旱季節，天氣轉涼。6-11月底的半年時間為颶風和熱帶風暴多發期常受颶風侵襲。中北部地區雨量豐富，氣候一般處于22-32度間，年平均溫度為27度。
　　影響光伏發電系統發電量的最大因素為太陽輻射量，其次為當地的溫度，由于熱帶雨林氣候常年環境溫度均較高，會導致光伏發電系統的效率出現一定的降低。由于該地地處海島，而且屬于熱帶雨林氣候，因此影響光伏發電量的灰塵遮擋因素相對較小。
　　Kingston的Norman Manley機場的太陽輻射數據如下表（數據來源于NASA）。
　　月 份 各月水平面上的平均日輻射（kWh/m?/日） 月平均溫度（℃） 各月光伏陣列水平面上的平均日輻射（kWh/m?/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
　　根據計算，光伏方陣的最佳傾角采用固定式面向正南方向16°時可以獲得的日均太陽輻射量為5.45 kWh/m?，太陽能資源相當好，適合采用太陽能發電來替代現有的電力供應。
　　2. 太陽能發電系統的基本構造及安裝位置
　　光伏并網系統原理圖
　　光伏并網發電系統主要由光伏組件、光伏陣列防雷匯流箱、直流配電柜、光伏并網逆變器、交流配電柜（交流開關柜）、升壓變壓器等設備構成。
　　光伏系統中，光伏組件需要的占地面積較大，一般安裝在建筑屋頂或者閑置地面，光伏陣列匯流箱安裝在光伏方陣內。并網逆變器等電氣設備放置在現有配電房，也可以采用集裝箱形式放置在室外。
　　因牙買加機場航站樓、貨運站等可安裝太陽能光伏組件的建筑為現有設施，改造存在一定的難度和風險，故不建議將太陽能光伏組件安裝在現有建筑屋頂。機場航站樓前現有各類停車場的面積約為4萬平方米，滿足機場所需太陽能系統所需的安裝空間，擬在停車場增設遮陽棚，將所有的太陽能光伏面板放置在遮陽棚頂部，既節省了機場寶貴的土地資源，又增加了停車的舒適度。
　　預計建成后停車場效果
　　3. 擬建設的太陽能系統方案
　　機場目前主要靠外部電網供電，設置了兩套容量為4.16MVA發電機和一套容量為3.5MVA發電機作為備用電源。目前機場總的用電容量為2600KVA。
　　機場目前由外部電網供給的電價約為0.42美元/千瓦時，電價非常高，考慮到遠期機場的發展對電力消耗的需求，擬在機場裝設發電容量為4000kWp的太陽能系統。
　　根據牙買加機場現狀的航班時刻表，機場現狀為每天運營16個小時。待太陽能系統建成后，一部分電能供機場白天使用，多余的電能可通過輸送給電網、蓄電池儲存自用、或者輸送給機場附近用電單位的方式進行處理，后續章節將進行詳細論述。
　　4. 耗電量與發電量分析
　　機場用電容量近期為2600kVA，中期為3000kVA，遠期為4000kVA。運營期內的平均耗電量按照中期的3000kVA進行計算，由此可得機場年平均耗電量為624.96萬千瓦時。
　　根據總體方案，光伏發電系統各年發電量和機場自身用電量如下表：
　　時 間 第1年 第2年 第3年 第4年 第5年
　　機場累計年耗電量（度） 6，249，600 12，499，200 18，748，800 24，998，400 31，248，000 　　年發電量（度） 6，365，600 6，314，676 6，263，752 6，212，824 6，161，900
　　累計發電量（度） 6，365，600 12，680，276 18，944，028 25156852 31，318，752
　　時 間 第6年 第7年 第8年 第9年 第10年
　　機場累計年耗電量（度） 37，497，600 43，747，200 49，996，800 56，246，400 62，496，000
　　年發電量（度） 6，110，976 6，060，052 6，009，128 5，958，200 5，907，276
　　累計發電量（度） 37，429，728 43，489，780 49，498，908 55，457，108 61，364，384
　　時 間 第11年 第12年 第13年 第14年 第15年
　　機場累計年耗電量（度） 68，745，600 74，995，200 81，244，800 87，494，400 93，744，000
　　年發電量（度） 5，856，352 5，805，428 5，754，504 5，703，576 5，652，652
　　累計發電量（度） 67，220，736 73，026，164 78，780，668 84，484，244 90，136，896
　　時 間 第16年 第17年 第18年 第19年 第20年
　　機場累計年耗電量（度） 99，993，600 106，243，200 112，492，800 118，742，400 124，992，000
　　年發電量（度） 5，601，728 5，550，804 5，499，880 5，448，952 5，398，028
　　累計發電量（度） 95，738，624 101，289，428 106，789，308 112，238，260 117，636，288
　　時 間 第21年 第22年 第23年 第24年 第25年
　　機場累計年耗電量（度） 131，241，600 137，491，200 143，740，800 149，990，400 156，240，000
　　年發電量（度） 5，347，104 5，296，180 5，245，256 5，194，328 5，143，404
　　累計發電量（度） 122，983，392 128，279，572 133，524，828 138，719，156 143，862，560
　　在該地建設4MWp光伏發電系統，25年可以獲得總計14386.26萬千瓦時的發電量，該系統年平均發電量為575.45萬千瓦時。
　　機場利用太陽能采光發電時間為日均10個小時，需采用市電發電的時間段為日均6個小時。計算可得可利用太陽能供電時段的平均年耗電量為390.6萬千瓦時，需要利用市電進行供電時段的平均年耗電量為234.36萬千瓦時。
　　5. 光伏發電供電方案
　　區域太陽能系統并入城鎮電網的可能性較小，電池儲存多余電量的成本過高，因此本次機場項目推薦按以下方案實施：機場建設的太陽能發電系統在有陽光時保障機場內部用電需求，同時太陽能系統預留外部接入口，以有償的方式供給機場附近的用電單位使用，當無陽光時機場依舊采用市電。
　　在為機場節省電費的同時，多發出的電能可以為機場創造收入。
　　假設機場供給外部單位的電價為0.105美元/度時，根據耗電量與發電量分析，機場可節省和創造的收益如下：
　　平均每年可通過太陽能發電系統供給自用所節省費用為390.6萬千瓦時x0.42美元=164.05萬美元；
　　平均每年可通過太陽能發電系統多發出的電能創造的收益為（575.45-390.6）千瓦時x0.105美元=19.41萬美元；
　　合計平均每年節省電費合計為18.34萬美元。
　　太陽能發電系統投資為1.58美元/瓦，停車場改造投資為3.64美元/瓦，外部接入費用由用電電位自理，由此可得前期投入合計5.22美元/瓦。本工程前期共需投入費用為5.22美元/瓦x4000kW=2088萬美元。
　　根據本系統每年可為機場節省電費183.46萬美元，投資回收期為2088/183.46=11.4年，因此太陽能發電系統運行第12年時可收回全部投入的成本，并在后面13年間平均每年為機場節省183.46萬美元電費。
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