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1、SOLAR ENERGY 05/2014 30 0 引言 太阳能发电作为一种洁净可再生的新能源， 越来越受到人们的重视，其中光伏发电技术及其 产业的快速发展有目共睹。如今，国内光伏发电 的主流形式与国外分布式发电有所不同，主要以 大规模集中并网的光伏电站为主。其中大型地面 光伏电站所处地形一般为开阔平地或山地丘陵， 由于大面积的金属部件及大量电气设备布置于光 伏阵列区域，虽然构筑物高度都较低，但仍较容 易受到雷击而造成设备损坏，导致停电故障，影 响光伏电站发电可靠性。随着光伏发电装机容量 在电源结构中所占比重的增大，对于光伏电站安 全稳定运行的要求也越来越高。因此，逐步完善 大型地面光伏电站的
2、防雷保护措施势在必行。 目前，针对大型地面光伏电站的防雷接地规 范尚未实施，光伏电站的防雷设计主要参照 GB 50057-2010建筑物防雷设计规范 ， 其适用程度 具有一定的局限性。本文依据现行规程规范，从 工程实际经验角度出发，综合考虑工程经济性， 介绍较为可行的大型地面光伏电站防雷接地设计 方案。 1 光伏电站防雷保护设计范围 大型集中并网型地面光伏电站主要由光伏发 浅谈大型地面光伏电站的防雷保护 国内光伏发电站以大型地面电站为主，随着对光伏电站相关标准的实施，光伏电站的设计也 日趋完善，其中防雷接地设计标准预计也将在近期公布并实施。根据实际工程经验，就光伏 电站大面积方阵区域的防雷保护
3、设计进行了探讨。 地面光伏；防雷保护；热稳定性；动稳定性；滚球法；等电位连接 摘 要： 关键词： 中电投电力工程有限公司 张礼彬 电方阵、集电线路、管理区及升压站组成，对于 总装机容量较大 ( 一般在 50 MWp以上 ) 或位于 复杂地形 ( 山地丘陵 ) 的光伏电站，还可适当采 用架空集电线路，在适当区域设置局部汇流站。 其中，管理区、升压站、汇流站、逆变器室，以 及架空输电线路的防雷保护设计已较为成熟，可 参照相应的规程规范进行防雷保护设计。 对光伏电站的光伏发电阵列区域防雷保护设 计，涉及的设备及构筑物包括：光伏电池组件、 组件支架、汇流箱、阵列升压箱变、布置于逆变 器室内的直流配电柜
4、、逆变器等。 2 光伏阵列区常规防雷设计方案 雷电对大型地面光伏电站的危害方式有直击 雷、感应雷和雷电侵入波 3 种。 光伏发电方阵占地面积较大，若在阵列中装 设避雷针不但工程量较大，且会对光伏组件产生 光斑效应，直接影响组件寿命及整个电站的发电 量。因此，目前的光伏发电阵列均不配置避雷针， 主要通过电池组件和支架与厂区接地网连接进行 直击雷和感应雷保护，但组件支架作为接闪器的 可靠性仍需进一步验证。另外，为防止集电线路 上雷电侵入波电压，汇流箱、直流配电柜、逆变 器及箱式变电站内均逐级装设避雷器。 技术产品与工程 SOLAR ENERGY 05/2014 31 3 光伏发电方阵区防雷装置 3
5、.1 晶硅光伏组件边框作为接闪器的可行性 光伏发电方阵区域内的大面积金属部件主要 是指晶体硅光伏组件的铝合金边框及与其连接的 镀锌钢组件支架 ( 位于组件下部 )。因此，对光 伏发电阵列区的防雷保护，最可行的方案便是考 虑组件边框兼顾防雷接闪器，或根据组件实际布 置情况在最上层组件上部增设避雷带。前者是目 前国内采用晶体硅光伏组件的光伏电站主流的防 雷设计方案，后者则为采用薄膜型光伏组件 ( 无 金属边框)的光伏电站主要考虑的防雷设计方案。 3.1.1 材料及截面校验 晶体硅光伏组件的铝合金边框一般为截面厚 1.62 mm、高度h为 40 mm 或 50 mm、剖面宽 度b为 10 mm 的中
6、空几何结构 ( 如图 1 所示 )， 截面积一般在 220 mm2左右。 中的 3 类建筑首次正极性雷击的雷电流参量、首 次负极性雷击的雷电流参量、首次负极性以后雷 击的雷电流参量、长时间雷击的雷电流参量。对 于平原和低建筑物典型的向下雷击，可能出现的 最严苛的情况是首次正极性雷击，其参量如下： 幅值为imax=100 kA，半值时间t=350 s，电荷量 Q= 50 C。 1) 热稳定性校验 按式 (1) 校验：SI 2t/C 1 (1) 式中：S为载流截面， cm2 ；I 为耐受电流， A，I=Q/t；t为电流持续时间，s；C为导体材料 及发热温度有关的系数，按铝合金允许最高温度 200
7、考虑，C=87。 经计算： I=50/0.000 35=1.429105 A S(1.429105)20.000 35/87=7.147106/87 =30.73 mm2 因此，典型的晶体硅光伏组件铝合金边框能 满足雷电流热稳定性要求。 2) 动稳定性校验 考虑雷电流流过组件边框时，两块光伏组件 的相邻边框间会产生较大的、近似于冲击电流流 过两个同相导体间所产生的机械应力。 根据 GB 50057-2010建筑物防雷设计规范 中对接闪器的材料、结构和最小截面要求，若 接闪带材料为铝合金单根扁形导体时，其最小截 面积不应小于 50 mm2、厚度不小于 2.5 mm；为 铝合金单根圆形导体时，其最
8、小截面积不应小于 50 mm2、直径不小于 8 mm。可见，虽然晶体硅 光伏组件的铝合金边框截面积远大于规范对接闪 器的要求，但其截面结构并不能完全满足接闪器 要求。因此，需对其承受雷击电流的热稳定和动 稳定进行校验。 雷电流的参数采用建筑物防雷设计规范 图 1 典型组件边框剖面结构示意图 图 2 典型组件支架示意图 典型组件支架形式示意图如图 2 所示，采用 典型组件支架形式，按式 (2) 效验： x=Fx 2l e 2 /h b 21， Fx=2.55k12i210-3/b (2) 式中：le 为边框固定间距，典型安装的组件固 定间距 le=900 mm；h 为导体截面高，取h=40 mm
9、； b 为导体截面宽度，b=10 mm；Fx为导体片间点 动力，N/mm；k12 为形状系数，按相邻边框间距 h=40/50 mm b=10 mm 1.62 mm le=l=900770le=l=900 c=990 c=990 c=990 c=990 技术产品与工程 SOLAR ENERGY 05/2014 32 20 mm 查矩形导体形状系数曲线得k12=0.73；i 为冲击电流，kA，i=kcimax；kc 为接闪器分流系数， kc=1/2n+0.1+0.2 c /l 2 ；n 为分流接闪器数量， n=8( 前后支柱共 8 个 )；c 为至两侧最近引下线的 距离，c=990 mm ；l 为
10、并联接闪器 / 引下线的导 体间距离，此处 l= le=900 mm。 经计算： kc=1/16+0.1+0.2 990/900 = 0.37 i= 0.37100=37 kA (imax按 100 kA 考虑 3) Fx=2.550.7337210-3/10=0.255 N/mm x=(0.2559002)/(40102)=51.668.6 N/mm2 ( 铝合金最大允许应力为 68.670 N/mm2 1 因此，典型晶体硅光伏组件铝合金边框按典 型方式安装，能满足雷电流动稳定性要求。 3.1.2 保护范围校验 光伏阵列的运行方式有固定式，以及单轴 跟踪、斜单轴跟踪、双轴跟踪方式。目前，固定
11、 式的运行方式仍是国内光伏发电站的主要设计方 案。因此，此处以简单的固定式布置于水平面上 的方案作为分析对象，选用尺寸为 1.65 m0.99 m0.004 m 的常规晶体硅电池组件，布置方案 采用双排竖向排列方案，如图 3 所示。图中， 为组件支架倾角；h为组件最底部距离地面距 离；H为组件支架高度。组件支架倾角由最佳倾 角计算得到，取值一般为光伏电站所在地区纬度 减 1 5 ；组件最底部距地面距离根据光伏电站 场地情况一般在 0.3 0.5 m。此处距地面距离按 h=0.5 m 考虑。据此，分别采用滚球法对光伏组 件边框作为避雷接闪器的保护范围进行校验。 滚球半径按一类建筑 45 m 考虑
12、，假设 0 90 ，如图 4 所示。考虑滚球保护范围刚好 能够覆盖全部组件及其支架的极端情况 ( 如图 5 所示 )，则可推得不等式： arccos ， 即 cos (3) 其中：H=(3.33sin+0.5) m。 经计算可得：13.77 ，即当安装倾角大 于 13.77 时，组件顶部铝合金边框的保护范围便 可覆盖全部光伏组件及其支架。目前，国内光伏 发电站所处纬度一般在不小于北纬 20 的区域。 因此，大型地面光伏电站组件布置的最佳倾角一 般不小于 15 ，即大于，满足保护范围的要求。 图 3 典型光伏组件布置方案示意图 图 5 极限保护范围时的倾角计算图 45-H 45 45-H 45
13、3.2 晶体硅光伏组件边框与支架连接 光伏电站设计规范中要求晶体硅光伏组件的 金属边框必须可靠接地，目前建成或在建的光 伏电站主要依靠组件固定螺栓连接或增设连接 铜线两种方式。其中，后者一般采用 1 根 BV- 14 的导线通过组件接地孔将组件与支架进行 电气连通。 H=Lsin+h d=Lcos h L 图 4 典型组件支架布置的防雷保护范围示意图 H=3.33sin+0.5 45 m (45-H) m 0.5 90 45 m 90 45 m 45 m 45 m 45 m 0.5 m 3.33m H=3.33sin+0.5 3.33 m H=3.33sin+0.5 D 0.5 m ( 转第
14、36 页 ) 技术产品与工程 SOLAR ENERGY 05/2014 36 优化折射率。通过理论模拟结合实验验证，在目 前主流 PECVD 设备的工艺范围内 ( 最低稳定折射 率约为 2.0)，低折射率钝化膜的抗腐蚀能力及钝化 效果更强。在约 2.0 折射率膜基础上，150 nm 以 上厚度的钝化膜可具备对铝浆更好的抗侵蚀能力。 参考文献 1 Balaji N, Park C, Lee Y, et al. Rear-side passivation characteristics of Si-rich SiNx for various Local Back Contact solar cel
15、lsJ. Vacuum, 2013, 96: 69 72. 2 彭银生 , 刘祖明 , 陈庭金 . 晶体硅太阳电池表面钝化的研究 J. 云南师范大学学报 , 2004, 24(3): 15 17. 3 Thaidigsmann B, Kick C, Drews A, et al. Fire-through contactsa new approach to contact the rear side of passivated silicon solar cellsJ. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2013, 108: 164 169. 4
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