屋顶光伏发电系统防雷设施经济有效性评价

冯 鹤，周 爽，苗菊萍

(1.河北省气象行政技术服务中心，河北 石家庄 050021；2.河北宇翔雷电灾害防御科技有限公司，河北 石家庄 050021)

0 引言

屋顶光伏发电是转变太阳能为电能的清洁发电方式，对保护环境，新能源开发利用，资源的合理配置都起着重要作用，随着政府补贴政策和并网政策的落实，得以迅速发展。由于屋顶光伏发电系统规模较小，分布相对分散且成本高，成本回收年限时间长，投资者对于系统的安全、稳定运行，经济效益的保障具有很大的敏感性。

屋顶光伏系统本身安装位置和环境的特殊性导致雷电灾害成为影响设备安全的主要自然灾害之一，根据德国Rheinland提供的数据，德国45%的光伏系统损失是由包括雷电影响的过电压造成的[1]。为保证光伏系统在雷暴时免遭雷击及过电压的损害，防雷设施的安装尤为重要。但对于系统投资者，安装防雷措施提高了项目投入，且该项费用在总成本中占有较大的比重，而对系统的保护效果难以校验，影响了投资者的投资热情。

本文从屋顶光伏发电系统雷电损害导致的经济损失出发，分析防雷装置的经济有效性，以最小的投入保证投资产生长久的效益，提高用户发展屋顶光伏电站的积极性，促进我国用户侧光伏发电实现分布式开发和利用的规模化发展。

1 屋顶光伏发电系统雷电损害特点及防护措施

1.1 系统组成及损害特点

屋顶光伏发电系统主要由太阳能光伏电池、并网逆变器、并网接入测控系统等组成。雷电损害主要包括以下几种形式：

雷电直接击中太阳能电池板，由于太阳能电池是由对高电压最敏感、最薄弱的半导体硅材料制作而成，在瞬时高压高达60kV左右的雷电高电压及瞬间冲击电流的作用下，将给电池造成无法逆转的物理损害，造成电池表面结构呈现损伤性破裂，对太阳能电池PN结IV特性、反向特性造成变化，影响电池光电转换特性，从而影响整个电池组件的发电效率。同时，雷电流向大地泄放的过程中，还将有部分雷电流沿导线侵入汇流箱、逆变器等电子设备，造成设备损害[2]。

雷击光伏系统附近或雷击阵列的金属框架上，由于强大的瞬变电磁场，将产生很高的感应电势，环路上还将产生感应过电流，随着技术的发展，光伏设备智能化程度越来越高，普遍采用的集成电路抗压能力越来越差，雷电电磁感应过电压的危害也越来越严重，不但能造成光伏电池板的伏安特性发生改变，影响发电效率，而且能损坏旁路二极管、控制器甚至逆变器等[3]。

与电网相连的并网光伏发电系统，发电板发电经汇流、逆变、升压后引出至外围杆塔并网，杆塔或相连架空线路遭受直接雷击及线路上产生感应电涌，都会对光伏系统变压器甚至整个电气系统造成过电压反击[4]。

1.2 一般防护措施

屋顶光伏发电系统防雷措施包括由接闪带、引下线、接地装置组成的直击雷防护措施和屏蔽、等电位连接、安装SPD等闪电电磁脉冲防护措施。如图1所示，为避免接闪带、接闪杆阴影对太阳能电池板发电效率产生影响，采用电池板金属边框作为接闪器，电气线路均采用屏蔽线缆或穿金属管等进行线路屏蔽保护，对汇流箱等重要设备及机房进行空间屏蔽，并采用多级SPD保护设备安全[5]。

图1 屋顶光伏发电系统雷电防护系统示意图Fig.1 Schematic diagram of lightning protection system for roof photovoltaic generation system

2 防雷设施经济有效性评价

屋顶光伏系统防雷设施的经济有效性主要是通过对安装、维护防护措施的成本和减少的经济损失进行分析，以此来考察安装防雷装置的经济有效性[6]。

安装、维护防护措施的年平均成本为：

CPM=CP×(i+a+m)

(1)

减少的经济损失计算公式为：

CQM=CL-CRL

(2)

式中：CP是防护措施的安装费用；i是利率；a是折旧率；m是维护费率；CL及CRL分别是安装防护措施前后因雷电灾害可能造成的年平均经济损失。

上述计算中，因雷电灾害可能造成的年平均经济损失是系统经济有效性评价的重点、难点，受该区域雷电强度、频度，光伏系统特性、经济价值等因素的影响，本文参考IEC62305-2雷电防护第2部分：风险管理提出的经济损失风险分析计算模型，考虑屋顶光伏发电系统特征，计算因雷击造成的经济损失[7]。

3 示例分析

3.1 系统特征

某家庭用户5kW光伏发电系统，安装于4m高建筑物150m2的闲置屋顶，采用两级单项式并网发电系统方案，由电池组件PV阵列、DC/DC升压电路、汇流箱、逆变器等部件组成。光伏阵列采用42块120W太阳能电池板按6×7矩阵排列，其中7块串联，6块并联，每块板尺寸为147×68×3.5cm3，串联板间距离1cm，并联板间距离100cm。该系统一般生命周期为25年，工程施工所需费用见表1，共计121120万，同时考虑在系统的运营过程中，对部分组件的维护，运维费率按2%计算，那么系统的运营维护的总费用为2422.4元，平均每年约96.9元。

表1 工程费用

屋顶光伏发电系统属于分布式光伏发电系统，影响其盈利能力的因素除装机成本外，还有系统发电量以及上网电价。[8]可根据装机容量和年日照峰值小时数来计算发电量，该家庭用户所在地区日照资源丰富，年日照小时数平均为2600小时，第i年的发电量Qi(单位为kWh/a)为：

Qi=PTsη(1-γ)i-1

(3)

式中：P为系统的装机容量，Ts为年满负荷日照小时数，γ为系统的平均年衰减率，一般在0.5%以下，η为系统的综合效率，可以通过相关技术参数粗略估计。该家庭用户所在地区日照资源丰富，年日照小时数平均为2600小时，则该系统全生命周期内的发电量为144019.5千瓦时[9]。平均每年5760.78千瓦时，按每千瓦时1.5元卖给供电公司，年均收益8641.17元。

根据河北省闪电定位资料，该家庭用户所在位置3×3km2范围内2008—2015年共发生闪电230次，雷击大地密度3.2次/km2年，最大雷电流幅值高达220kA，土壤电阻率为100Ωm，并网线路长100m埋地引出，对系统加装雷电防护装置，利用金属支架做接闪器，将其与建筑物防雷装置可靠连接，安装4组有效配合的SPD，采用屏蔽线路合理布设，各区域做有效的等电位连接，共计花费12000元。

3.2 减少的经济损失计算

(1)一般方法

参照IEC62305-2经济损失的计算方法，认为损失费用为雷击损害造成的风险值以及与该损害相关的物质价值的乘积，即

C=RX·CX=NPL·CX=NP·(c/ct)·CX

(4)

式中：RX是雷击造成的风险分量；CX为因该类型损害可能造成损失的物质价值；N为雷电击中系统或附近的年平均危险事件次数；P为系统或周围出现闪电时发生系统损害的概率；L为可能损失的相对量；c为损失的价值，ct为系统总价值[10]。

本文只对光伏发电系统本身进行分析，不涉及所在建筑物及内部其它物质的价值，与损害类型有关的物质价值即为光伏发电系统本身的总价值，计算公式可变更为：C=NPc。

(2)损失值计算

对雷击屋顶光伏发电系统造成的各经济损失值进行计算、汇总，损失包括以下类型：

雷电击中该系统造成物理损害及电气电子系统失效造成的经济损失；

雷击系统附近造成电气电子系统失效造成的经济损失；

雷击相连线路因高压造成系统物理损害及电气电子系统失效造成的经济损失；

雷击线路附近造成电气电子系统失效造成的经济损失。

系统应用金属支架作为直击雷防护措施，区别于建筑物防护措施，如图2所示，接闪器有效保护太阳能电池组件，对应的滚球半径rs为662.09m[11]，根据IEEE工作组推荐的电气-几何模型rs=10I0.65，对应的雷电流为0.53kA，即可认为直击雷防护措施可有效拦截大于0.53kA的雷电流[12]。

考虑到目前的闪电定位资料，很多学者们在应用闪电定位数据时，发现数据中小幅值闪电数据对整体数据的某些特性存在干扰[13]，IEEE工作组建议在应用闪电定位数据时，不考虑-2kA～2kA之间的数据。[14]故小于0.53kA的雷电流所占的比例，即雷击系统可能导致物理损害的概率计算应用我国1997年的修改公式，即lgPI=-I/88[15]得到PB=0.014。

图2 接闪器保护范围Fig.2 The zone of protection of the air-termination system

其他参数按IEC62305-2建筑物雷评参数的计算方法执行，详见表2。

计算得到减少的年经济损失为：CQM=CL-CRL=2.59×104元。

3.3 保护措施费用计算

安装、维护防护措施的年平均成本为：

CPM=CP×(i+a+m)

(5)

式中：防护措施的安装费用CP为12000元； 利率i取0.35； 系统使用周期为25年，折旧率为a=(12000-0)/25/12000=0.1；防护措施每年检测维修费用约为800元，维护费率为m=800/12000=0.067。

则保护措施的年平均成本为6204元。

表2 相关参数及计算结果

注：(1)按4.83×12.99×4.62m建筑物，1000m埋地电缆相连进行计算，项目位于郊区，被相同高度的对象包围； (2)未加装防护措施，损害概率为1； (3)雷电直击光伏阵列导致物理损害，损失包括电池板甚至钢结构支架直接损坏造成的损失，因系统设备的最低耐冲击电压为1.0kV，雷电直击、雷击系统附近、雷击线路及线路附近，均会造成包括逆变器、汇流箱、双向计量表损坏，同时考虑损坏后修复时间为一个月，将损失一个月的售电收入； (4)建筑物无空间屏蔽等措施，安装的SPD保护性能满足LPLI级要求，相关的概率为0.01；(5)加装防雷措施后，雷电直击电池板仅对其本身造成损失；(6)CL=NP′c′；(7)CRL=NPc。

3.4 比较分析

经计算，安装防护措施后，减少的年经济损失远大于保护措施的年平均成本，故安装防护措施合理有效。

4 结论

针对屋顶光伏发电系统特点，设计安装符合规范要求的雷电防护措施，虽然一定程度上增加了投资比例，但防雷工程费用远小于因雷电灾害可能导致的损失，且有效的防护措施可预防因雷击过电压造成的人员生命伤害以及过电流对供电质量的损害[16]。应在屋顶光伏发电系统筹备过程中，统筹安排防雷装置同步设计、同步施工、同步运维使用。