馮 鶴，周 爽，苗菊萍

(1.河北省氣象行政技術(shù)服務(wù)中心，河北 石家莊 050021；2.河北宇翔雷電災(zāi)害防御科技有限公司，河北 石家莊 050021)

0 引言

屋頂光伏發(fā)電是轉(zhuǎn)變太陽(yáng)能為電能的清潔發(fā)電方式，對(duì)保護(hù)環(huán)境，新能源開(kāi)發(fā)利用，資源的合理配置都起著重要作用，隨著政府補(bǔ)貼政策和并網(wǎng)政策的落實(shí)，得以迅速發(fā)展。由于屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模較小，分布相對(duì)分散且成本高，成本回收年限時(shí)間長(zhǎng)，投資者對(duì)于系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)效益的保障具有很大的敏感性。

屋頂光伏系統(tǒng)本身安裝位置和環(huán)境的特殊性導(dǎo)致雷電災(zāi)害成為影響設(shè)備安全的主要自然災(zāi)害之一，根據(jù)德國(guó)Rheinland提供的數(shù)據(jù)，德國(guó)45%的光伏系統(tǒng)損失是由包括雷電影響的過(guò)電壓造成的[1]。為保證光伏系統(tǒng)在雷暴時(shí)免遭雷擊及過(guò)電壓的損害，防雷設(shè)施的安裝尤為重要。但對(duì)于系統(tǒng)投資者，安裝防雷措施提高了項(xiàng)目投入，且該項(xiàng)費(fèi)用在總成本中占有較大的比重，而對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)效果難以校驗(yàn)，影響了投資者的投資熱情。

本文從屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)雷電損害導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失出發(fā)，分析防雷裝置的經(jīng)濟(jì)有效性，以最小的投入保證投資產(chǎn)生長(zhǎng)久的效益，提高用戶發(fā)展屋頂光伏電站的積極性，促進(jìn)我國(guó)用戶側(cè)光伏發(fā)電實(shí)現(xiàn)分布式開(kāi)發(fā)和利用的規(guī)?；l(fā)展。

1 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)雷電損害特點(diǎn)及防護(hù)措施

1.1 系統(tǒng)組成及損害特點(diǎn)

屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能光伏電池、并網(wǎng)逆變器、并網(wǎng)接入測(cè)控系統(tǒng)等組成。雷電損害主要包括以下幾種形式：

雷電直接擊中太陽(yáng)能電池板，由于太陽(yáng)能電池是由對(duì)高電壓最敏感、最薄弱的半導(dǎo)體硅材料制作而成，在瞬時(shí)高壓高達(dá)60kV左右的雷電高電壓及瞬間沖擊電流的作用下，將給電池造成無(wú)法逆轉(zhuǎn)的物理?yè)p害，造成電池表面結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)損傷性破裂，對(duì)太陽(yáng)能電池PN結(jié)IV特性、反向特性造成變化，影響電池光電轉(zhuǎn)換特性，從而影響整個(gè)電池組件的發(fā)電效率。同時(shí)，雷電流向大地泄放的過(guò)程中，還將有部分雷電流沿導(dǎo)線侵入?yún)R流箱、逆變器等電子設(shè)備，造成設(shè)備損害[2]。

雷擊光伏系統(tǒng)附近或雷擊陣列的金屬框架上，由于強(qiáng)大的瞬變電磁場(chǎng)，將產(chǎn)生很高的感應(yīng)電勢(shì)，環(huán)路上還將產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電流，隨著技術(shù)的發(fā)展，光伏設(shè)備智能化程度越來(lái)越高，普遍采用的集成電路抗壓能力越來(lái)越差，雷電電磁感應(yīng)過(guò)電壓的危害也越來(lái)越嚴(yán)重，不但能造成光伏電池板的伏安特性發(fā)生改變，影響發(fā)電效率，而且能損壞旁路二極管、控制器甚至逆變器等[3]。

與電網(wǎng)相連的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電板發(fā)電經(jīng)匯流、逆變、升壓后引出至外圍桿塔并網(wǎng)，桿塔或相連架空線路遭受直接雷擊及線路上產(chǎn)生感應(yīng)電涌，都會(huì)對(duì)光伏系統(tǒng)變壓器甚至整個(gè)電氣系統(tǒng)造成過(guò)電壓反擊[4]。

1.2 一般防護(hù)措施

屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷措施包括由接閃帶、引下線、接地裝置組成的直擊雷防護(hù)措施和屏蔽、等電位連接、安裝SPD等閃電電磁脈沖防護(hù)措施。如圖1所示，為避免接閃帶、接閃桿陰影對(duì)太陽(yáng)能電池板發(fā)電效率產(chǎn)生影響，采用電池板金屬邊框作為接閃器，電氣線路均采用屏蔽線纜或穿金屬管等進(jìn)行線路屏蔽保護(hù)，對(duì)匯流箱等重要設(shè)備及機(jī)房進(jìn)行空間屏蔽，并采用多級(jí)SPD保護(hù)設(shè)備安全[5]。

圖1 屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)雷電防護(hù)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of lightning protection system for roof photovoltaic generation system

2 防雷設(shè)施經(jīng)濟(jì)有效性評(píng)價(jià)

屋頂光伏系統(tǒng)防雷設(shè)施的經(jīng)濟(jì)有效性主要是通過(guò)對(duì)安裝、維護(hù)防護(hù)措施的成本和減少的經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行分析，以此來(lái)考察安裝防雷裝置的經(jīng)濟(jì)有效性[6]。

安裝、維護(hù)防護(hù)措施的年平均成本為：

CPM=CP×(i+a+m)

(1)

減少的經(jīng)濟(jì)損失計(jì)算公式為：

CQM=CL-CRL

(2)

式中：CP是防護(hù)措施的安裝費(fèi)用；i是利率；a是折舊率；m是維護(hù)費(fèi)率；CL及CRL分別是安裝防護(hù)措施前后因雷電災(zāi)害可能造成的年平均經(jīng)濟(jì)損失。

上述計(jì)算中，因雷電災(zāi)害可能造成的年平均經(jīng)濟(jì)損失是系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)有效性評(píng)價(jià)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，受該區(qū)域雷電強(qiáng)度、頻度，光伏系統(tǒng)特性、經(jīng)濟(jì)價(jià)值等因素的影響，本文參考IEC62305-2雷電防護(hù)第2部分：風(fēng)險(xiǎn)管理提出的經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)分析計(jì)算模型，考慮屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)特征，計(jì)算因雷擊造成的經(jīng)濟(jì)損失[7]。

3 示例分析

3.1 系統(tǒng)特征

某家庭用戶5kW光伏發(fā)電系統(tǒng)，安裝于4m高建筑物150m2的閑置屋頂，采用兩級(jí)單項(xiàng)式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)方案，由電池組件PV陣列、DC/DC升壓電路、匯流箱、逆變器等部件組成。光伏陣列采用42塊120W太陽(yáng)能電池板按6×7矩陣排列，其中7塊串聯(lián)，6塊并聯(lián)，每塊板尺寸為147×68×3.5cm3，串聯(lián)板間距離1cm，并聯(lián)板間距離100cm。該系統(tǒng)一般生命周期為25年，工程施工所需費(fèi)用見(jiàn)表1，共計(jì)121120萬(wàn)，同時(shí)考慮在系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，對(duì)部分組件的維護(hù)，運(yùn)維費(fèi)率按2%計(jì)算，那么系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)的總費(fèi)用為2422.4元，平均每年約96.9元。

表1 工程費(fèi)用

屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)屬于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，影響其盈利能力的因素除裝機(jī)成本外，還有系統(tǒng)發(fā)電量以及上網(wǎng)電價(jià)。[8]可根據(jù)裝機(jī)容量和年日照峰值小時(shí)數(shù)來(lái)計(jì)算發(fā)電量，該家庭用戶所在地區(qū)日照資源豐富，年日照小時(shí)數(shù)平均為2600小時(shí)，第i年的發(fā)電量Qi(單位為kWh/a)為：

Qi=PTsη(1-γ)i-1

(3)

式中：P為系統(tǒng)的裝機(jī)容量，Ts為年滿負(fù)荷日照小時(shí)數(shù)，γ為系統(tǒng)的平均年衰減率，一般在0.5%以下，η為系統(tǒng)的綜合效率，可以通過(guò)相關(guān)技術(shù)參數(shù)粗略估計(jì)。該家庭用戶所在地區(qū)日照資源豐富，年日照小時(shí)數(shù)平均為2600小時(shí)，則該系統(tǒng)全生命周期內(nèi)的發(fā)電量為144019.5千瓦時(shí)[9]。平均每年5760.78千瓦時(shí)，按每千瓦時(shí)1.5元賣給供電公司，年均收益8641.17元。

根據(jù)河北省閃電定位資料，該家庭用戶所在位置3×3km2范圍內(nèi)2008—2015年共發(fā)生閃電230次，雷擊大地密度3.2次/km2年，最大雷電流幅值高達(dá)220kA，土壤電阻率為100Ωm，并網(wǎng)線路長(zhǎng)100m埋地引出，對(duì)系統(tǒng)加裝雷電防護(hù)裝置，利用金屬支架做接閃器，將其與建筑物防雷裝置可靠連接，安裝4組有效配合的SPD，采用屏蔽線路合理布設(shè)，各區(qū)域做有效的等電位連接，共計(jì)花費(fèi)12000元。

3.2 減少的經(jīng)濟(jì)損失計(jì)算

(1)一般方法

參照IEC62305-2經(jīng)濟(jì)損失的計(jì)算方法，認(rèn)為損失費(fèi)用為雷擊損害造成的風(fēng)險(xiǎn)值以及與該損害相關(guān)的物質(zhì)價(jià)值的乘積，即

C=RX·CX=NPL·CX=NP·(c/ct)·CX

(4)

式中：RX是雷擊造成的風(fēng)險(xiǎn)分量；CX為因該類型損害可能造成損失的物質(zhì)價(jià)值；N為雷電擊中系統(tǒng)或附近的年平均危險(xiǎn)事件次數(shù)；P為系統(tǒng)或周圍出現(xiàn)閃電時(shí)發(fā)生系統(tǒng)損害的概率；L為可能損失的相對(duì)量；c為損失的價(jià)值，ct為系統(tǒng)總價(jià)值[10]。

本文只對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)本身進(jìn)行分析，不涉及所在建筑物及內(nèi)部其它物質(zhì)的價(jià)值，與損害類型有關(guān)的物質(zhì)價(jià)值即為光伏發(fā)電系統(tǒng)本身的總價(jià)值，計(jì)算公式可變更為：C=NPc。

(2)損失值計(jì)算

對(duì)雷擊屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)造成的各經(jīng)濟(jì)損失值進(jìn)行計(jì)算、匯總，損失包括以下類型：

雷電擊中該系統(tǒng)造成物理?yè)p害及電氣電子系統(tǒng)失效造成的經(jīng)濟(jì)損失；

雷擊系統(tǒng)附近造成電氣電子系統(tǒng)失效造成的經(jīng)濟(jì)損失；

雷擊相連線路因高壓造成系統(tǒng)物理?yè)p害及電氣電子系統(tǒng)失效造成的經(jīng)濟(jì)損失；

雷擊線路附近造成電氣電子系統(tǒng)失效造成的經(jīng)濟(jì)損失。

系統(tǒng)應(yīng)用金屬支架作為直擊雷防護(hù)措施，區(qū)別于建筑物防護(hù)措施，如圖2所示，接閃器有效保護(hù)太陽(yáng)能電池組件，對(duì)應(yīng)的滾球半徑rs為662.09m[11]，根據(jù)IEEE工作組推薦的電氣-幾何模型rs=10I0.65，對(duì)應(yīng)的雷電流為0.53kA，即可認(rèn)為直擊雷防護(hù)措施可有效攔截大于0.53kA的雷電流[12]。

考慮到目前的閃電定位資料，很多學(xué)者們?cè)趹?yīng)用閃電定位數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中小幅值閃電數(shù)據(jù)對(duì)整體數(shù)據(jù)的某些特性存在干擾[13]，IEEE工作組建議在應(yīng)用閃電定位數(shù)據(jù)時(shí)，不考慮-2kA～2kA之間的數(shù)據(jù)。[14]故小于0.53kA的雷電流所占的比例，即雷擊系統(tǒng)可能導(dǎo)致物理?yè)p害的概率計(jì)算應(yīng)用我國(guó)1997年的修改公式，即lgPI=-I/88[15]得到PB=0.014。

圖2 接閃器保護(hù)范圍Fig.2 The zone of protection of the air-termination system

其他參數(shù)按IEC62305-2建筑物雷評(píng)參數(shù)的計(jì)算方法執(zhí)行，詳見(jiàn)表2。

計(jì)算得到減少的年經(jīng)濟(jì)損失為：CQM=CL-CRL=2.59×104元。

3.3 保護(hù)措施費(fèi)用計(jì)算

安裝、維護(hù)防護(hù)措施的年平均成本為：

CPM=CP×(i+a+m)

(5)

式中：防護(hù)措施的安裝費(fèi)用CP為12000元； 利率i取0.35； 系統(tǒng)使用周期為25年，折舊率為a=(12000-0)/25/12000=0.1；防護(hù)措施每年檢測(cè)維修費(fèi)用約為800元，維護(hù)費(fèi)率為m=800/12000=0.067。

則保護(hù)措施的年平均成本為6204元。

表2 相關(guān)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

注：(1)按4.83×12.99×4.62m建筑物，1000m埋地電纜相連進(jìn)行計(jì)算，項(xiàng)目位于郊區(qū)，被相同高度的對(duì)象包圍； (2)未加裝防護(hù)措施，損害概率為1； (3)雷電直擊光伏陣列導(dǎo)致物理?yè)p害，損失包括電池板甚至鋼結(jié)構(gòu)支架直接損壞造成的損失，因系統(tǒng)設(shè)備的最低耐沖擊電壓為1.0kV，雷電直擊、雷擊系統(tǒng)附近、雷擊線路及線路附近，均會(huì)造成包括逆變器、匯流箱、雙向計(jì)量表?yè)p壞，同時(shí)考慮損壞后修復(fù)時(shí)間為一個(gè)月，將損失一個(gè)月的售電收入； (4)建筑物無(wú)空間屏蔽等措施，安裝的SPD保護(hù)性能滿足LPLI級(jí)要求，相關(guān)的概率為0.01；(5)加裝防雷措施后，雷電直擊電池板僅對(duì)其本身造成損失；(6)CL=NP′c′；(7)CRL=NPc。

3.4 比較分析

經(jīng)計(jì)算，安裝防護(hù)措施后，減少的年經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)大于保護(hù)措施的年平均成本，故安裝防護(hù)措施合理有效。

4 結(jié)論

針對(duì)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)安裝符合規(guī)范要求的雷電防護(hù)措施，雖然一定程度上增加了投資比例，但防雷工程費(fèi)用遠(yuǎn)小于因雷電災(zāi)害可能導(dǎo)致的損失，且有效的防護(hù)措施可預(yù)防因雷擊過(guò)電壓造成的人員生命傷害以及過(guò)電流對(duì)供電質(zhì)量的損害[16]。應(yīng)在屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)籌備過(guò)程中，統(tǒng)籌安排防雷裝置同步設(shè)計(jì)、同步施工、同步運(yùn)維使用。