引 言
2010年世界太阳城大会将在德州市举办。为了迎接世界太阳城大会的召开，德州市实施了“中国太阳城”战略，大力实施了“百万屋顶”工程、“百村浴室”工程和一批光电照明示范工程,太阳能产品被迅速推广应用。太阳能产品因其采光的需要，一般安装在楼顶等至高点处，并通过各种管线引入室内，致使雷击危害的概率大大增加，为了保证使用者的安全，防雷措施实施与太阳能产品应用同步就至关重要了。
1太阳能产业的应用现状
中国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。目前，我国已是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家，更是重要的太阳能光伏电池生产国。
中国太阳热水器产业经过多年的发展，已形成较为完整的产业化体系。2008年我国太阳能热水器行业继续稳步快速发展。其中，产值达430亿，出口达1亿美元。
中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，经过30多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段。到2007年年底，全国光伏系统的累计装机容量达到10万千瓦，2008年太阳能电池的产量达到了200万千瓦。
目前我国应用比较成熟且应用较多的太阳能技术有两部分：太阳能热水系统和太阳能光伏发电系统。反映到具体产品上就是太阳能热水器、太阳能光伏电站、太阳能灯等。
下面就以具体应用产品为例进行雷电防护的探讨。
2 太阳能热水系统雷电防护
2.1 太阳能热水系统结构简介
太阳能热水系统一般有储水箱及支架、加热真空管及上下水管等组成。随着太阳能热水器智能化的不断提高，辅助加热、水位、水温自动显示，补水、断水的自动控制功能都应用于太阳能热水器中，而这些功能都是通过专用电脑控制芯片、传感装置等电子装置来实现的。电子装置在室内，辅助加热、传感装置在室外太阳能热水器水箱中，为这些电子装置供电的电源线，显示及控制用的信号线、控制线都是感应雷击的侵害途径。太阳能热水器除可能遭受直雷击外，还有可能遭受感应雷，其遭受感应雷击的通道主要有三条：电源线路引入;信号线路引入;接地线路引入。所以对太阳能热水系统的防雷设计就应从两方面考虑。
2.2 太阳能热水系统的防雷设计
太阳能热水器的防雷可分为外部防雷和内部防雷两种情况，外部防雷是防直击雷，内部防雷是防感应雷。
外部防雷——将绝大部分雷电流直接引入地下泄散;
内部防雷——快速泄放沿着电源或信号线路侵入的雷电波或各种危险过压;
这两道防线，互相配合，各尽其职，缺一不可。
2.2.1 太阳能热水系统的外部防雷
太阳能热水器的真空管和水箱一般设置在建筑物的至高点，这就要求与建筑物的防雷设施融合在一起。如果热水器在建筑物的接闪器的保护范围之内，就将热水器的金属架和水桶壳与建筑物上的避雷设施作等电位连接。如果热水器不在建筑物的接闪器的保护范围之内，需单独设接闪装置，其高度按滚球法进行计算，且与水箱保持 0.5m以上的安全距离，防止反击，然后与建筑物的防雷设施连接。热水器的金属架和水桶壳、室外线路屏蔽层接地也要与建筑物防雷设施作等电位连接。
2.2.2 太阳能热水系统的内部防护
内部防雷系统主要是易受过电压破坏的电子设备(或室外独立电子设备)加装过压保护装置，在设备受到过电压侵袭时，防雷保护装置能快速动作泄放能量，从而保护设备免受损坏。
(1)等电位连接
等电位连接是太阳能热水器雷电防护的一个重要环节。因现在安装太阳能热水器使用的上下水管绝大多数为铝塑管，虽然铝塑管管壁有加强金属层，但没有和室内电磁组合阀及室外水箱做到金属连接，所以，不能形成有效的等电位连接，存在很大的安全隐患。
等电位连接分为室外部分和室内部分金属构件的等电位连接。室外部分包括太阳能热水器金属支架、金属构件、避雷针、避雷带及线路屏蔽层等，室内部分包括线路屏蔽层、SPD接地及其他金属管道的等电位连接(见图1)。
图1.太阳能热水器防雷装置示意图
(2)太阳能热水器各种线路的屏蔽
太阳能热水器从楼顶到卫生间的线路有辅助电加热线、水位水温信号线控制线等，这部分线路全部都要采用屏蔽线，其屏蔽层两端要做好接地。建筑物遭受雷击时，电磁感应电流可能超过电缆屏蔽层所能承受的电流，所以，这段线路再穿过屏蔽金属管，其金属管上端和太阳能热水器支架连接，金属管下端和楼顶避雷带就近连接，以确保线路的二次屏蔽作用。
(3)信号线和电源线的防护
对信号线和电源线的防雷要想达到可靠的防雷保护，除了采用屏蔽线和外套屏蔽金属管外，还要在每根外接线路上进行防雷保护，方式可以是在控制器线路板上增加防雷器件，这些器件在正常的工作环境下不起作用，当有雷电感应电流沿信号线或者电源线进入室内控制器时，防雷器件开始工作，把感应电流引入地线，从而保证控制器和室内电源的安全。太阳能热水器控制器的防雷方案，原理图如图2所示。
图2 太阳能热水器控制器防雷原理图
将避雷元器件集成在控制器中，可有效的减少感应雷电流对各种线路的危害，从而保护控制器的安全。
3 太阳能光伏发电系统的雷电防护
3.1 太阳能光伏发电系统结构简介
太阳能发电是通过转换装置把太阳辐射转换成电能利用的发电技术，光电转换装置是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的。太阳能光伏发电系统由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜等设备组成。广泛应用于路灯、信号灯，也可用于独立或并网为设备供电。
雷电对太阳能光伏发电系统设备的影响，主要由以下几个方面造成：
直击雷：太阳能电池板大多都是安装在室外屋顶或是空旷的地方，所以雷电很可能直接击中太阳能电池板，造成设备的损坏，从而无法发电;
传导雷：远处的雷电闪击，由于电磁脉冲空间传播的缘故，会在太阳能电池板与控制器或者是逆变器、控制器到直流负载、逆变器到电源分配电盘以及配电盘到交流负载等的供电线路上产生浪涌过电压，损坏电气设备;
地电位反击：在有外部防雷保护的太阳能供电系统中，由于外部防雷装置将雷电引入大地，从而导致地网上产生高电压，高电压通过设备的接地线进入设备，从而损坏控制器、逆变器或者是交、直流负载等设备。
3.2 太阳能光伏发电系统的防雷设计
太阳能光伏发电系统的防雷也可分为外部防雷和内部防雷两种情况，外部防雷是防直击雷，将绝大部分雷电流直接引入地下泄散;内部防雷是泄放沿着电源线路侵入的雷电波或各种危险过压;这两道防线共同保障光伏系统及后续设备的安全。
3.2.1太阳能光伏系统的外部防雷
太阳能光伏发电设备外部防雷系统的作用是提供直击雷电流泄放通道，使雷电不会直接击中太阳能电池板，保证裸露在室外的太阳能电池板不被直接雷击损坏。
首先要确保各种设备处于直击雷防护区，独立的光伏发电系统要有完善的接闪器、引下线和接地装置。依附于建筑物的光伏发电系统则要处于建筑物防雷设施的保护范围之内。
其次要做好室外各种电源线路的屏蔽，并与其他金属构件做好等电位联结。
3.2.2太阳能发电系统的内部防雷见图3
图3 太阳能发电系统防雷示意图
首先在太阳能电池板和逆变器之间加装第一级防雷器A，型号根据现场逆变器最大空载电压确定。
其次在逆变器与配电柜之间以及配电柜与负载设备之间加装第二级防雷器B，型号根据配电柜以及供电设备的工作电压确定。
再次各种电源线应有屏蔽措施，且有良好的接地，并与其他接地做好等电位处理。
4 小结
4.1太阳能与建筑物防雷一体化设计
太阳能产品防雷在很大程度上是依靠建筑物的防雷系统，因此建筑物防雷系统与太阳能产品防雷要综合起来考虑。使太阳能与建筑的外部防雷和内部防雷系统有机结合，确保良好的防护效果。
4.2太阳能产品器件的防护
太阳能产品生产厂商应根据产品的特点，将防雷器件集成在线路板或设备上，这样即方便安装又能够取得良好的防护效果。
太阳能产业只有与完善的防雷系统同步发展，才能够确保人身和财产安全，才能够使这种清洁、环保的能源为人类造福。
参改资料
[1] GB50343-2004，建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].
[2] GB50057-94(2000年版)，建筑物防雷设计规范[S].
作者简介
李斌 (1976—)，男，山东济阳人，工程师，南京信息工程大学防雷本科学士，从事防雷减灾工作十多年。
