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太阳能发电站系统防雷设计

作者：庄严

新能源产业发展战略是国家十一五能源规划中重要的举措，新能源规划是从2009年至2020年，整体规划到2020年新能源产业在国内的投资总额将超过3万亿元，风能、核能及太阳能将成为未来几年能源产业领域中发展最快、新技术应用最广泛、带动上下游产业最活跃的新兴产业。本文主要介绍了利用太阳能发电站的站控系统防雷及接地设计。
　1. 塔式太阳能发电系统介绍
　　太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环过程进行发电，是太阳能热利用的重要方面。80年代以来美、欧、澳等国相继建立起不同型式的示范装置，促进了热发电技术的发展。世界现有的太阳能热发电系统大致有三类：槽式线聚焦系统、塔式系统和碟式系统，本文仅对塔式系统的防雷进行简单的介绍。
　　1.1塔式发电系统
　　又称集中型系统，它是在很大面积的场地上装有许多台大型反射镜，通常称为定日镜，每台都各自配有跟踪机构，准确地将太阳光反射集中到一个高塔顶部的接收器上。接收器上的聚光倍率可超过1000倍。在这里把吸收的太阳光能转换成热能，再将热能传给工质，经过蓄热环节，再输入热动力机，膨胀做功，带动发电机，最后以电能的形成输出。主要由聚光子系统、集热子系统、蓄热子系统和发电子系统等部分组成。

　1.2塔式发电系统的关键技术有如下3个方面。
    （1）反射镜（又称定日镜）及其自动跟踪
　　由于这一发电方式要求高温、高压，对于太阳光的聚焦必须有较大的聚光比，需用千百面反射镜，并要有合理的布局，使其反射光都能集中到较小的集热器窗口。反射镜的反光率在80%～90%以上，自动跟踪太阳要同步。
　　（2）接收器
　也叫太阳能锅炉。要求体积小，换热效率高。有垂直空腔型、水平空腔型和外部受光型等类型。对于垂直空腔型和水平空腔型来说，由于反射镜反射光可以照射到空腔内部，因而可将锅炉的热损失控制到最低限度，但最佳空腔尺寸与场地的布局有关。外部受光型吸收体的热损耗要比上述两种类型大些，但适合于大容量系统。
　　（3）蓄热装置
　　应选用传热和储热性能良好的材料作为蓄热工质。选用水汽系统具有许多优点，因为工业界和使用者都很熟悉，有大量的工业设计和运行经验，附属设备也已商品化。但腐蚀问题是其不足之处。对于高温的大容量系统来说，可选用钠做热传输工质，它具有优良的导热性能，可在3000kW/m2的热流密度下工作
　　2. 塔式太阳能发电系统的防雷组成
　　塔式太阳能发电系统的防雷组成，对应其工作原理可分为：定日镜（群）、接收器、蓄热槽、主控系统、发电系统共5各部分组成。针对不同的系统，其防雷的重点和防护的措施也不尽相同：
　　2．1定日镜群的防雷特点:
　　定日镜群由大量的定日镜组成，定日镜是一种装在刚性轻型钢架上跟踪太阳的反射镜。它由计算机控制进行双轴(方位和高度)调整，还能自动翻转、收拢，以防止大风、冰雹、尘土等造成的损坏。由于站场内的定日镜采用作用是反射阳光，并且单组定日镜面的损坏不会造成较为严重的后果，所以针对定日镜群的直击雷防护可主要利用定日镜的钢架机构作为直击雷接闪器，对于单座定日镜组的直击雷防雷接地电阻不应大于10欧姆；
　　2.2接收器:
　　又称锅炉。接收定日镜群反射来的太阳光，将太阳能转变为热能并加热工质。接收器有腔式、盘式、柱式等形式。在设计接收器时要掌握聚焦面的能量密度分布规律和工质的热物理性质等，以使工质加热到预定的要求。由于，接收器是在集热塔内，所以对于集热器的防雷主要考虑其建筑物的防雷，并且集热塔作为太阳能电站内的最高建筑物，应作为重点考虑，可采用避雷针、带结合的方式对其进行直击雷的防护，其建筑接地电阻不应大于10欧姆，同时建议将集热塔的建筑接地与站场内的定日镜阵组的接地网相连接，形成联合接地系统，其接地电阻不宜大于1欧姆。
    2.3蓄热槽:
　　以传热和蓄热性能良好的油、岩油或熔盐为介质贮存热能的设备。小量的热贮存可在日照弱的情况下，使太阳能电站保持稳定运行;大量的热贮存可延长太阳能电站的工作时间。该部分主要考虑热电偶的雷电电磁脉冲防护，避免由于避雷针接闪造成的雷电电磁脉冲对其测量设备的侵害。
　　2.4主控系统:
　　由控制执行机构、数据检测装置、控制设备等组成，用以监测、控制太阳能系统及电站设备的安全运行。由于控制系统的核心是计算机，所以对于这部分的防护重点是计算机系统的雷电电磁脉冲防护，这个部分的雷电防护与核心计算机机房的防雷措施一致，并且可根据实际情况参照GB50343-2004<建筑物内电子信息系统防雷技术规范>中对机房等级的分类，采取不同等级的防雷措施；
　　2.5发电系统：
　　太阳能热发电系统与常规火力发电站相同，其雷电防护的核心主要是DCS控制系统和监控系统。
　　2.6站场的接地、屏蔽系统：
　　按照站场的实际设计，对于多组定日镜组的钢架结构进行联合等电位接地，是有效的减小直击雷对站场站控设备形成的雷电电磁脉冲的影响程度，对于远端的控制系统建议采用全程屏蔽接地措施进行雷电电磁脉冲防护，对于控制箱内的设备应安装相应协议的信号电涌保护器，并就近接地。
　　3. 结束语
　　太阳能发电系统是新能源产业中的重要组成部分，对于太阳能发电系统的防雷设计，目前行业中还没有相应的标准规范，但是对于光伏发电系统而言，塔式太阳热发电系统的防雷相对就简单了很多，并且根据其系统的分类可按照现有的其他行业标准或防雷国标进行分类、分析；按照相应的系统标准进行系统防雷设计。比如，集热塔就可以依据建筑物防雷标准进行直击雷的防护设计，对于站控DCS系统和监控系统就可以借鉴工控系统中的DCS防雷经验和监控防雷工程的系统特点进行分系统设计。
　　所以，对于太阳能发电系统的防雷，可以分解为现有成熟系统的防雷子系统，最后在进行整合；根据太阳能发电站场的特点，最好在防雷工程设计之间进行站场的雷电风险评估，这样就可以具有针对性的进行站场及站控子系统的防雷设计。