太陽能多功能通用航空機(jī)場地面車輛研究

尉藍(lán)天　馮霞

【摘 要】隨著通用航空的快速發(fā)展，通用航空機(jī)場數(shù)量迅速增長，機(jī)場地面車輛的需求不斷增多。然而現(xiàn)有機(jī)場車輛大多數(shù)仍采用汽油或柴油為燃料，其能源消耗大，廢棄污染等問題日漸突出。為了優(yōu)化生態(tài)環(huán)境，真正實現(xiàn)機(jī)場車輛節(jié)能減排，本文開展了太陽能多功能通用航空機(jī)場地面車輛的研究與初步設(shè)計。該研究填補(bǔ)了機(jī)場地面車輛的市場空白，對構(gòu)建綠色低碳通用航空機(jī)場具有十分積極重要的意義。

【關(guān)鍵詞】車輛；太陽能；通用航空機(jī)場；綠色機(jī)場

中圖分類號： TM914.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）12-0235-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.110

機(jī)場地面車輛是機(jī)場區(qū)域內(nèi)保障飛行用的各種機(jī)場用車，其種類繁多且用途廣泛。在民用航空機(jī)場區(qū)域內(nèi)根據(jù)服務(wù)對象和用途不同可以將其分為三類：一類是服務(wù)于飛機(jī)的地面保障車輛，如飛機(jī)牽引車、飛機(jī)加油車、飛機(jī)清水車、飛機(jī)除冰車等；另一類是為旅客服務(wù)的地面車輛，如人員擺渡車、行李托車、貨物裝載車等；第三類是保障機(jī)場正常運(yùn)行和安全的地面車輛，包括巡視車、引導(dǎo)車、消防車、場道維護(hù)車等車輛。目前機(jī)場地面車輛絕大多數(shù)仍采用汽油或柴油為燃料，據(jù)不完全統(tǒng)計，機(jī)場地面車輛耗能占比已超13%。除了大量能源消耗以外，它們還是行業(yè)污染氣體排放的重要源頭之一。

近幾年來，作為民航業(yè)的“兩翼”之一，通用航空得到快速發(fā)展，通用航空機(jī)場數(shù)量迅速增長。據(jù)中國民用航空局運(yùn)輸司發(fā)布的 《通用航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況統(tǒng)計表》（數(shù)據(jù)截止2017年12月31日）中顯示，我國目前已取證的通用機(jī)場有81個，未取證的通用機(jī)場有220個，在建的通用機(jī)場有60個，規(guī)劃建設(shè)的通用機(jī)場有377個。[1]民航局印發(fā)的《通用航空“十三五”發(fā)展規(guī)劃》中提到，到2020年全國建設(shè)500個通用機(jī)場。[2]隨著通用航空機(jī)場的快速增長，通用航空機(jī)場地面車輛的需求必然增多，那么隨之而來的車輛耗能持續(xù)增長，廢氣排放持續(xù)污染的問題將更為突出。所以為了優(yōu)化生態(tài)環(huán)境，在我國綠色發(fā)展的大背景下，進(jìn)行太陽能多功能通用航空機(jī)場地面車輛的研究，對真正實現(xiàn)機(jī)場車輛節(jié)能減排，構(gòu)建綠色低碳通用航空機(jī)場具有十分積極重要的意義。

太陽能是一種可再生的綠色資源，且能量巨大。太陽對地球每秒的輻射量如同500萬噸煤所產(chǎn)生的能量。假設(shè)將地表0.1%的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，即便轉(zhuǎn)化率才5%，其每年發(fā)電量也相當(dāng)于全世界能耗總量的40倍。而我國國土面積廣闊，2/3以上地區(qū)年日照時數(shù)超過2200h，太陽能資源豐富。加之太陽能技術(shù)不斷的進(jìn)步，特別是20世紀(jì)以來，太陽能技術(shù)取得了許多重大突破。這些都為發(fā)展我國太陽能通用航空機(jī)場地面車輛提供了非常有利的條件。從通用航空機(jī)場特點(diǎn)來看，機(jī)場區(qū)域空曠而開闊，無高大障礙物遮擋，有利于車輛更好采光蓄能。與民用航空機(jī)場相比，通用航空機(jī)場具有規(guī)模小、作業(yè)量少、業(yè)務(wù)種類多等特點(diǎn)，如按照民用航空機(jī)場配備全套地面車輛無疑是浪費(fèi)資源，因此通過功能整合優(yōu)化設(shè)計的多功能機(jī)場車輛將更加實用。

1 初步研究設(shè)計概況

初步設(shè)計的太陽能多功能通用航空機(jī)場地面車輛是一款集人員擺渡、運(yùn)輸貨物、小型飛機(jī)飛機(jī)牽引、場內(nèi)巡視、引導(dǎo)等多種功能于一身的機(jī)場用車。車身總長3.8米，寬2米，高1.5米，軸距2.5米；整車重量500千克；車上設(shè)有座椅，可供6人乘坐；另根據(jù)功能需要配備拖掛、通訊、監(jiān)控等設(shè)備。該車預(yù)計最大車速為50km/h，當(dāng)車速20km/h行駛時，續(xù)航里程可達(dá)100km。

2 系統(tǒng)工作原理

該車采用太陽能附加蓄電池供電方式提供電能。陽光照射太陽能電池陣列，通過能量轉(zhuǎn)化產(chǎn)生電流。電流能傳輸?shù)叫铍姵刭A存，也可以直接傳輸?shù)诫妱訖C(jī)控制器為車輛提供動力，或者兩者的結(jié)合。當(dāng)陽光充足光照較強(qiáng)的情況下，電流可直接驅(qū)動電機(jī)，多余電流由蓄電池儲存。當(dāng)光照不足太陽能電池陣列不能產(chǎn)生足夠的能量時，蓄電池所儲存的能量將用來補(bǔ)充電池陣列。當(dāng)然，當(dāng)車輛靜止時，來自太陽能電池陣列的全部能量被儲存在蓄電池里。

蓄電池為整車提供總的動力來源，如同車輛額心臟，因此至關(guān)重要。該車采用雙組電池串聯(lián)組成，額定電壓48V，并配有電池保護(hù)器，避免電池出現(xiàn)過放電現(xiàn)象。系統(tǒng)通過電機(jī)控制器對電壓和電流進(jìn)行控制得合適的電壓和電流，進(jìn)而使車輛得到合適的動力。系統(tǒng)采用DC-DC轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)變輸入電壓后有效輸出固定電壓，支持車載用電設(shè)備的使用。

3 太陽能電池陣列

綜合考慮太陽能電池轉(zhuǎn)化率、尺寸、重量、成本等因素，該車選用了單晶硅太陽能電池。 單晶硅的太陽能電池板轉(zhuǎn)化率在17%到18%之間，大部分的平均轉(zhuǎn)化率在17.5%左右，是目前為止轉(zhuǎn)化率比較高的材質(zhì)。在車輛頂棚可鋪設(shè)太陽能電池板的尺寸為2750mm×1380mm。選取125mm×125mm×18mm規(guī)格的單晶硅太陽能電池板，電池板之間的橫向與縱向間距均為1.5mm。整個頂棚工鋪設(shè)200塊電池板。單片單晶硅太陽能電池板面積為S=125mm×125mm=15625mm2，則實際功率P=1000w/m2×1.5625×10-2m2×17.5%×200×95%=519.53125w。該車太陽能電池陣列方案可提供超過500w的功率。

4 太陽能多功能通用航空機(jī)場地面車輛優(yōu)勢分析

（1）從環(huán)境保護(hù)方面分析：太陽能多功能通用航空機(jī)場地面車輛以光電代油，可有效節(jié)約燃油資源；車輛不用燃油，沒有有害氣體排放，使用過程無污染；不需要使用內(nèi)燃機(jī)，在行駛時就不會有像燃油汽車那樣巨大的內(nèi)燃機(jī)轟鳴聲，所以噪音小，不會對環(huán)境產(chǎn)生噪音污染等。

（2）從能源利用方面分析：根據(jù)卡諾循環(huán)的規(guī)律，在能量轉(zhuǎn)換過程中燃油車熱效率比較低，只有1/3左右的能量消耗在推動車輛前進(jìn)上。而太陽能多功能通用航空機(jī)場地面車輛不受該規(guī)律限制，90%的能量都用于推動車輛前進(jìn)，因此對能源利用更為有效。

（3）從功能結(jié)構(gòu)方面分析：太陽能多功能通用航空機(jī)場地面車不需要內(nèi)燃機(jī)、變速箱、離合器、散熱器、傳動軸、排氣管等零部件，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，制造難度也相對降低。該車功能多樣，局部采用模塊化設(shè)計，功能模塊轉(zhuǎn)換便捷，可靈活應(yīng)對通用航空機(jī)場多種工作需求。該車可以作為擺渡車，承載旅客往返機(jī)場與候機(jī)廳；將座椅模塊摘除，安裝載物托盤模塊后可以運(yùn)載行李及貨物；既可以拖掛小型飛機(jī)，也可以拖掛燃油加注設(shè)備或是農(nóng)化作業(yè)藥劑設(shè)備等。

（4）從使用維護(hù)方面分析：該車操作界面和控制系統(tǒng)均進(jìn)行進(jìn)了簡化設(shè)計，更易于工作人員的操作，可降低因操作失誤造成的事故率。另外車輛日常維護(hù)便捷，除了定期更換蓄電池以外，無需像燃油車那樣時常需要更換機(jī)油，添加冷卻液。

（5）從外觀設(shè)計方面分析：太陽能多功能通用航空機(jī)場地面車外觀新型，造型美觀大方，形態(tài)親切宜人，更易于融入通用航空機(jī)場環(huán)境。

通過該研究初步實現(xiàn)了太陽能多功能通用航空機(jī)場地面車輛的小型化、輕量化、安全化、環(huán)保化、節(jié)能化、控制智能化、能源光電化、技術(shù)高新化、多用途化……以夠滿足通用航空機(jī)場的使用的實際需要。雖然從目前市場情況來看機(jī)場地面車輛仍然只是整個車輛市場一個很小的分支，與通用航空機(jī)場配套的地面車輛尚屬空白，但隨著我國通用航空事業(yè)的蓬勃發(fā)展，通用航空機(jī)場建設(shè)與投入使用，其需求量必然大幅增長，未來市場前景廣闊！

【參考文獻(xiàn)】

[1]中國民用航空局運(yùn)輸司，《我國通用航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展情》，IB-TR-2018-02，2018-3-19.

[2]中國民用航空局，《通用航空“十三五”發(fā)展規(guī)劃》，2016-12.