張之利 楊權(quán)應(yīng) 張羽舟

（1.北京京航安機(jī)場工程有限公司，北京 100176；2.山東省實驗中學(xué)，山東濟(jì)南 250109）

0 引言

世界各國機(jī)場目視助航燈光系統(tǒng)采取的都是基于調(diào)光器恒流供電的方式，系統(tǒng)成熟穩(wěn)定，但建設(shè)成本巨大，運營、維護(hù)及不停航施工改造成本也非常高，而且主回路一次線纜容易出現(xiàn)絕緣下降導(dǎo)致一點或多點接地的故障[1]，對機(jī)場助航燈光系統(tǒng)正常運營影響很大。

通過采用成熟且成本低廉的光伏發(fā)電方式，利用4G無線通信技術(shù)實現(xiàn)智能遠(yuǎn)程控制，在無需燈光站調(diào)光柜及一次電纜等傳統(tǒng)供電設(shè)施情況下，同樣能實現(xiàn)飛行區(qū)現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求的所有助航燈具的發(fā)光性能。而智能遠(yuǎn)程光伏供電系統(tǒng)裝置具備物聯(lián)網(wǎng)功能，建設(shè)投資成本低，模塊化設(shè)計，施工簡便，使用免維護(hù)，綠色節(jié)能，特別適合應(yīng)用在機(jī)場的空闊無遮擋環(huán)境，尤其在光照資源豐富地區(qū)的新建支線機(jī)場，應(yīng)首先推廣應(yīng)用這一新型的助航燈光系統(tǒng)裝置，對軍用機(jī)場、偏遠(yuǎn)山區(qū)、海島機(jī)場、一般通用機(jī)場也具有特別的使用價。

1 技術(shù)方案

新型助航燈光系統(tǒng)裝置包含兩部分內(nèi)容，一是智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，二是光伏發(fā)電供電系統(tǒng)。下面對于這兩部分內(nèi)容予以詳細(xì)介紹。

1.1 智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

監(jiān)控指揮中心智能管理系統(tǒng)通過4G通信技術(shù)與太陽能供電系統(tǒng)的控制器遠(yuǎn)程通信控制，對助航燈具進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測、實時監(jiān)控。支持遠(yuǎn)程開關(guān)燈/調(diào)光及蓄電池、負(fù)載參數(shù)修改。實時監(jiān)控太陽能板電壓、電流、功率、蓄電池充放電電流、電壓、負(fù)載工作狀態(tài)、控制器工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)以及故障自動報警[2]。監(jiān)控指揮中心對接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理分析計算整合處理供用戶查詢決策使用，從而完成對助航燈光系統(tǒng)的監(jiān)管維護(hù)。

1.2 光伏供電系統(tǒng)

光伏供電系統(tǒng)包括光伏太陽能板、立桿、蓄電池、控制器等結(jié)構(gòu)部分，光伏供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。結(jié)構(gòu)部分功能要求如下。

（1）光伏電池板可選擇反光率低的單晶硅、多晶硅或者柔性薄膜材質(zhì)，面板材質(zhì)、功率、尺寸、規(guī)格固定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)模塊化，便于擴(kuò)展。

（2）支撐立桿采用易折件，可選擇由一根或幾根加強(qiáng)抗風(fēng)強(qiáng)度。

（3）蓄電池放在基礎(chǔ)空倉內(nèi)，設(shè)置上蓋便于開啟，方便以后更換，蓄電池與電池板連線接口統(tǒng)一，防水防潮，便于插拔。

（4）控制器負(fù)責(zé)控制并監(jiān)控蓄電池、光伏組件、燈具負(fù)載等電氣設(shè)備，燈具可“光控+時控+編程控制+手動控制”，燈具依靠電流輸出實現(xiàn)五級燈光調(diào)節(jié)，并與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心數(shù)據(jù)互通。

（5）可利用傳統(tǒng)二次管線為嵌入式或者立式、一個或者多個燈具供電，解決一體式光伏燈發(fā)電儲電能力不足的問題。

2 太陽能供電系統(tǒng)供電能力分析

因為是光伏供電，暫不考慮市電互補(bǔ)的情況下，必須計算系統(tǒng)電池板蓄電池容量配置所能滿足的陰雨天數(shù)，以判斷是否滿足實際的持續(xù)用電需要。

假設(shè)以某地區(qū)飛行區(qū)的滑行道邊燈試舉例計算，以某燈具廠家燈具功率為3 W（目視助航共計五級調(diào)光，一級調(diào)光耗電大約是五級的18%）為例，光源電器耗電0.8W，總計3.8W左右，每天亮燈8h，按照該地區(qū)最差月峰值日照時數(shù)4個小時計算，系統(tǒng)配置的電池板為8h×3.8W×1.5（充電系數(shù)）/4h/0.9（效率）/0.9（冗余系數(shù)）≈15W。蓄電池設(shè)計的容量以滿足連續(xù)5個陰雨天計算，容量為15AH。在該機(jī)場用15W的電池板配上15 AH的蓄電池，可供該燈具廠家3W的滑行道邊燈，按五級調(diào)光每天工作8h，并能確保連續(xù)供電5個陰雨天。一級調(diào)光耗電大約是五級的18%（五級調(diào)光電流值平方比值）[3]，如果僅僅按一級光調(diào)光亮燈，那么可以供每晚亮燈8h連續(xù)30個陰雨天使用。這個數(shù)據(jù)是可以滿足支線機(jī)場和通用機(jī)場正常運營需要的。

現(xiàn)在計算功耗較大的跑道入口燈供電配置，LED光源功率24W（含電器）計算，系統(tǒng)配置的電池板為90W，蓄電池70AH，可供跑道入口燈按五級調(diào)光每天工作8h連續(xù)5個陰雨天使用。同上，如果僅僅是按一級光調(diào)光亮燈，那么可以連續(xù)30個陰雨天亮燈使用[2]。為方便量化生產(chǎn)施工維護(hù)方便，電池板、蓄電池可按統(tǒng)一規(guī)格模組化設(shè)計。由于跑道入口、末端、翼排燈等位置比較集中，可以在附近稍遠(yuǎn)的土面區(qū)域安裝較大配置的光伏供電系統(tǒng)集中統(tǒng)一供電，對于成本控制使用管理更加方便。

3 系統(tǒng)適用性分析

3.1 無線通信的可靠性分析

受極端天氣或者天文射線（如太陽黑子）影響，無線通信傳輸會受到一定影響，但對于助航燈光系統(tǒng)整體影響微弱，可以通過自適應(yīng)控制系統(tǒng)保證正常開啟運營。

3.2 易折性分析

光伏電池板安裝固定采用易折件，能滿足飛行區(qū)對于桿體易折性的要求。

3.3 光伏面板反光性分析

經(jīng)過相關(guān)理論計算以及應(yīng)用案例，機(jī)場航站樓及停車區(qū)安裝的光伏電站產(chǎn)生的陽光反射與機(jī)場周邊建筑物幾無差別，并未對飛機(jī)駕駛員產(chǎn)生眩光影響，而位于飛行區(qū)內(nèi)的新裝置電池板數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及已經(jīng)投產(chǎn)在用的大型光伏電站電池板數(shù)量，所以電池板的反光為飛行員造成的影響可以忽略，此項內(nèi)容可由光污染環(huán)評單位研究分析結(jié)果支撐[4]。

3.4 適用環(huán)境分析

（1）飛行區(qū)環(huán)境空闊，不存在擋光現(xiàn)象，適合光伏供電系統(tǒng)的應(yīng)用。

（2）優(yōu)先適合在太陽輻照條件好地區(qū)及陰雨天氣較少的地區(qū)推廣應(yīng)用。

3.5 新型光伏智能遠(yuǎn)程控制助航燈光系統(tǒng)裝置優(yōu)缺點分析

3.5.1 優(yōu)點

（1）節(jié)省了傳統(tǒng)燈光站房建和站內(nèi)高低壓柜、調(diào)光柜及各種電纜敷設(shè)等巨額成本。

（2）運營中依靠光伏發(fā)電，無需市電，綠色節(jié)能，幾乎沒有運營成本。

（3）維護(hù)改造簡單，采用模組化設(shè)計，單獨供電系統(tǒng)互不影響，施工簡便，省時省力，對正常運營影響小。

（4）系統(tǒng)更安全可靠，一旦發(fā)生故障，也是單點故障，不存在傳統(tǒng)回路燈具團(tuán)滅的情況，這一點對于軍用價值更有意義。

（5）無線數(shù)據(jù)傳輸，智能控制，遠(yuǎn)程監(jiān)控，自適應(yīng)控制算法，節(jié)約了大量人力、物力運營管理成本。

（6）符合國家對于智慧機(jī)場、綠色機(jī)場發(fā)展的要求，引領(lǐng)助航燈光行業(yè)向更好方向發(fā)展。

3.5.2 缺點

（1）光伏供電系統(tǒng)續(xù)航能力受制于陰雨天氣，可靠性受制約，系統(tǒng)中電池板和蓄電池設(shè)計容量將根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)和機(jī)場要求確定，但也可以通過增加線路與市電互補(bǔ)可以改變這一狀況。多余電力可以上網(wǎng)，缺電可由電網(wǎng)補(bǔ)充，但需增加建設(shè)成本[5]。

（2）無線通信的可靠性受極端氣候影響。

（3）市場壁壘相關(guān)政策及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)影響較大。

3.6 運維成本計算分析

某機(jī)場運維成本簡單計算分析對比如表1所示。

表1 某機(jī)場運維成本簡單計算分析對比表格

4 國內(nèi)外相似案例分析

目前，世界上機(jī)場已安裝光伏電站的位置主要位于航站樓、貨運倉庫屋頂、停車場（上海虹橋、浦東、深圳、無錫、首都機(jī)場）、滑行道（日本關(guān)西、日本富士山、馬來西亞吉隆坡）、跑道遠(yuǎn)端（美國丹佛、印第安納波利斯）等，這些案例為飛行區(qū)內(nèi)安裝光伏供電系統(tǒng)的適用性，包括電磁環(huán)境影響和反光性等問題提供了諸多借鑒價值[6]。

目前，一體式的立式光伏助航燈具有了諸多應(yīng)用，即電池板處于燈具側(cè)面或者頂部，但一體式的設(shè)計的電池板和蓄電池過小，大大限制了它的使用價值和應(yīng)用范圍，目前也僅限于小部分通用機(jī)場，遠(yuǎn)程智能控制技術(shù)也不夠完善[7]。真正用于飛行區(qū)內(nèi)嵌入式燈具光伏供電系統(tǒng)的尚屬空白，前兩年中國民航局第二研究所在這方面做了一定的研究，但尚未真正實際應(yīng)用[3]。

5 結(jié)論

本文提供的新型分離式光伏智能遠(yuǎn)程控制助航燈光系統(tǒng)裝置從功能實現(xiàn)和運行機(jī)理上較為完美地解決了傳統(tǒng)恒流供電建設(shè)及運維成本過高且故障較多以及容易回路團(tuán)滅的問題，對于系統(tǒng)的適用性從易折、反光、電磁、光照環(huán)境及持續(xù)陰雨天數(shù)等方面做了分析探討，并結(jié)合傳統(tǒng)調(diào)光器恒流供電系統(tǒng)做了優(yōu)劣性對比，該裝置對于光照資源豐富地區(qū)的新建支線機(jī)場、軍用機(jī)場、偏遠(yuǎn)海島機(jī)場、通用機(jī)場具有良好的推廣價值，在用的樞紐機(jī)場建議暫不推廣。希望在助航燈光領(lǐng)域相關(guān)從業(yè)人員以時不我待、敢為人先的雄心引領(lǐng)時代潮流，大膽革舊創(chuàng)新，勇于攻關(guān)各項技術(shù)難點，使更安全、更智慧、更節(jié)能、更經(jīng)濟(jì)的新型助航燈光系統(tǒng)造福于人類社會。