基于光资源的广泛分布和光伏发电的应用灵活性特点，我国光伏发电应用模式的越来越多样化，光伏与不同行业相结合的跨界融合趋势愈发凸显。
在全球能源转型大趋势下，光伏产业正迎来“高光时刻”。过去十年间，我国光伏产业链竞争优势凸显：主要制造环节产量在全球占比均超过2/3，新增装机量连续9年位居全球首位，累计装机量连续7年位居全球首位……
为实现“双碳”目标，光伏产业无疑成为了我国大规模发展可再生能源的重要渠道。同时，作为我国为数不多的取得全球竞争优势，光伏产业实现端到端安全可控，有望率先成为高质量发展典范的新兴产业。
光伏设计需要注意方面有：
1.选址：需要考虑地理位置、气候条件、周围环境等因素，以确保光伏系统能够最大限度地利用太阳能。
2.组件选型：需要根据当地气候条件、安装场地的朝向和倾斜角度等因素选择合适的光伏组件类型和规格。
3.系统设计：需要根据安装场地的实际情况，设计合理的光伏系统架构，包括光伏组件的排列方式、支架的设计、电缆的选择和连接方式等。
4.电气设计：需要根据光伏系统的功率和电压等级，设计合理的电气系统，包括逆变器、变压器、开关设备等的选择和配置。
5.安全设计：需要考虑光伏系统的安全性，包括防雷、防漏电、防火等措施。
6.维护设计：需要考虑光伏系统的维护需求，设计合理的维护通道和检修空间。
一、光伏电站设计原则
建设工程设计是一个综合性的活动，涉及技术、经济、资源、环境等多个方面。设计需要遵循：成熟先进、安全可靠、造价合理、节能环保的原则。设计是建设项目整体规划和实施的重要过程，通过综合分析和论证，编制建设工程设计文件，体现具体实施意图。设计是科学技术转化为生产力的纽带，也是处理技术与经济关系的关键环节，同时也是确定和控制工程造价的重要阶段。
01光伏电站建设的选择
太阳能资源是光伏电站选址的重要考量因素。全年总日照小时数、日照百分率、年总辐射量、年平均气温年霜冻天数等，是衡量太阳能资源的主要参数。
根据各地太阳能资源条件和建设成本，将全国分为三类太阳能资源区，相应制定光伏电站标杆上网电价。I类地区太阳能资源总量相对较高，电价补贴相对较低；III类地区太阳能资源总量相对较低，电价补贴则相对较高。在不同电价区寻找太阳能资源条件好的地区建设光伏电站，可以获得更好的收益。有时，电价区的划分可能与实际太阳能资源总量不完全匹配。因此，在寻找投资地区时，需考虑电价补贴、光照强度、年辐射总量等因素来确定最佳位置。
在新建光伏电站选址时，要先对可利用面积进行评估。建议选择足够大的可利用面积以实现目标的总装机容量。较小规模的电站可能会增加初投资费用，例如接入系统线路和进场道路的建设成本。此外，如果没有足够的规模，后期运行和维护将会增加成本。因此，总体上建议选择建设规模较大、接入系统线路近且进场道路修建较短的地区。这有助于提高工程建设经济性。
明确光伏电站厂址的土地性质、使用权状况，确保符合土地利用规范。应详细调查选址地址情况，评估地址的构造、地震效应以及可能存在的山体滑坡和山洪暴发时的洪水排泄通道等风险。了解厂址周围水文地质条件、防洪评价和水利保护情况。熟悉厂址周边的人文环境和交通运输条件等。确保厂址附近没有重要的文物古迹和未知的重要矿产资源，远离文物保护区、自然保护区和军事设施区等，符合自然环境保护的相关规定。
同时，需了解当地的产业政策，掌握区域市场的发展空间，熟悉项目建设所需的条件，并按照规划选址工作的要求进行踏勘调研，提出合理的规划选址建议。进行资料搜集，获取必要的文件和审批文件，获得各主管部门的批文，以确保项目能够顺利通过各项评审程序。
02光伏电站的布置
在建设光伏电站时，需要考虑到防洪、防震、防山体滑坡、消防和运行检修等各方面的要求。为了实现电站的安全运行和环保无事故，同时提高经济效益和检修维护的便利性，需要对电站进行统筹安排和合理布局。
首先，根据拟定的总装机容量规模，要考虑到防洪、防震、防山体滑坡等自然灾害的风险，选择合适的地点进行布置，避免潜在的危险因素。
另外，消防系统也是非常重要的，要确保电站设施配备了完善的消防设备，以及制定相应的消防计划和应急预案，保障消防安全。
此外，为了提高电站的运行效率和维护便利性，可以根据地形和地貌的特点，合理布置光伏电站的各个设施，避免大规模的重新规划。
最后，为了保证员工的安全和生活质量，需要将电站的生产管理区和生活区分开隔离，既能确保安全生产，又能提供适宜的员工生活环境。
光伏电站的布置和安排应该全面考虑各个方面的要求，以确保电站的安全、环保、经济效益和运维便利。
二、太阳能阵列的设计
太阳能阵列的设计是为了充分利用太阳能的辐射能量并将其转化为电能。在设计太阳能阵列时，确保考虑到电力需求、环境条件和经济可行性，从而获得最佳的能源利用效果。
01太阳能组件的选择
在太阳能阵列设计中考虑制造商的生产规模、行业业绩、制造水平、技术成熟度、运行可靠性和未来技术发展趋势是非常重要的。这些因素可作为评估供应商的依据，确保选择可靠和有竞争力的组件供应商。
同时，查阅已投入生产的电站所统计的组件衰减率、损耗及年发电量等数据是分析和判断组件性能的重要依据。这些数据可以提供对组件在实际运行中的表现的直观了解，有助于评估其可靠性和性能。
在相同面积的选择中，应优先选择峰值功率较大的单块光伏组件。这可以减少占地面积，降低线路损耗和组件的安装量，减少集成线路的使用量和施工量。
目前，在国内电站中，多晶硅高效组件是主要采用的类型。这些组件具有较高的转换效率和可靠性。
在整个电站的组件选择过程中，最好选择相同制造商、同规格和同批次的组件。这样可以确保组件之间的效率一致性相对较好，组件衰减率的速度相对稳定。
对于高温、高湿区域，应选择具有抗PID性能的组件，以确保在恶劣环境条件下的可靠性。
02太阳能组件的排布
太阳能组件的倾斜角度和排列顺序的确定需要考虑多个因素，包括前后排的阴影遮挡问题、组件与建筑物之间的距离以及最大角度位置的阴影遮挡情况。此外，还需要适当考虑地形因素对组件排列的影响。常规的确定原则是保证在冬至日的早晨9点到下午3点之间，组件阵列不应被遮挡。在组件的排布时，需要保留一定的间隙作为透风通道。这有助于组件散热，提高其性能和寿命。
根据组件的特性和理论计算，横向排布方式相比竖向排布方式大约可以增加2%~5%的发电量。在横向排布方式中，一般从上到下排布4块组件；而在竖向排布方式中，一般从上到下排布2块组件。需要注意的是，相比竖向排布，横向排布方式会增加支架使用量每兆多出20吨钢材料及后期安装工程量，同时需要增加20%的占地面积，且横向排布方式的安装难度稍大。
03太阳能组件的组串方式
根据光伏组件的开路电压和逆变器直流侧输入电压等级，结合当地太阳辐射条件，一般将18块或20块组件串联成一个基本发电单元。竖向排布时，有三种组串方式可选择：
(I) 上层和下层按顺序各组一串；
(II) 上层一半和下层一半按顺序组成一串，另一半按顺序组成另一串；
(III) 上层和下层按跳接方式各组一串，即按1、3、5～19.20、18～6、4、2的方式排布。
相对而言，第(III)种排布方式是科学的，能减少直流损耗并提高发电量。在集中式大中型光伏电站建设中，建议采用竖向第(III)种排布方式。而对于分布式小型光伏电站，如农业大棚或屋顶光伏，如果有合适的资源利用情况，可以采用横向排布方式。
三、太阳能阵列的设计
光伏组件支撑部分可以提供一个可靠的基础结构来安装和支撑光伏组件，以实现太阳能的有效利用和发电。
01支架基础的选择
当设计光伏组件的支撑部分时，主要考虑以下几个因素：1. 地基承载力：支撑结构需要满足地基承载力的计算要求，以确保光伏组件能够稳定地安装在地面上。2. 基础抗倾覆：支撑结构需要具备足够的抗倾覆能力，以防止在风力或其他外力作用下发生倾斜或翻倒。3. 抗拔：支撑结构应具备抗拔能力，以应对土壤的抗拔力和可能出现的地震等自然灾害。4. 抗滑移：支撑结构需要具备足够的抗滑移性能，以确保光伏组件在强风或其他外力作用下不会发生滑移。
在国内，常用的光伏组件支撑部分设计包括钢筋混泥土独立基础、钢筋混泥土条形基础和预应力水泥管桩基础等。选择适合地理和地质条件的基础类型能够确保整个光伏发电系统的稳定性和安全性。钢筋混泥土基础适用于地势相对较好的地方，施工难度较小，具有较好的抗倾覆和抗滑移性能。但施工工期较长，对地面破坏较大。预应力水泥管桩基础适用于地质条件较恶劣的地方，施工速度快，对地面破坏较小。然而，该类型基础对施工人员技术要求较高，施工难度相对较大。在选择基础类型时，还需考虑地下水对钢筋混泥土结构的腐蚀程度。根据地下水的腐蚀程度，可以采取防腐蚀涂层、抗硫酸盐材料、钢筋阻锈剂等措施来保护基础结构。
因此，光伏组件支撑部分的设计至关重要，旨在保证上部结构的稳定性、安全性和长期可靠运行。
02支架系统的选择
对于光伏电站的支架系统，目前国内主要采用最佳倾角固定式、水平单轴跟踪式、斜单轴跟踪式和双轴跟踪式等类型。
固定式支架系统具有低成本、简单制造工艺、短生产周期和易安装等优点，并且基本不需要维护。它占地面积相对较小，并且不需要太多维护工作。自动跟踪式支架系统则具有较高的成本，制造工艺较复杂，跟踪电机易损坏，运行不稳定，尤其在湿度较大的环境中需要更多维护和维修工作。为了避免阵列之间的遮挡，跟踪式支架系统需要较大的间距，导致占地面积增加约50%，从而增加了投资成本。然而，与最佳倾角固定式相比，它能够显著提高发电量，理论计算约为20%~30%左右。目前，某些地方已经投入运行的跟踪式支架系统具有更简单、更可靠的逻辑运行，这是值得借鉴的经验。
在选择合适的支架系统时，应该综合考虑地形条件、占地面积、运行可靠性、设备价格、建成后维护费用、故障率以及发电效益等因素。对于湿度较大的地方，例如"渔光互补"、沿海滩涂等地，不建议采用自动跟踪式系统，因为它所使用的支架基础主要是钢筋混泥土条形基础，在鱼塘、莲花池、沙滩等湿度大、施工困难的地方很不方便，而且电机容易受潮烧毁，维修也不方便。
四、汇流箱设计及安装
汇流箱是光伏电站中的重要组件之一，主要用于收集和汇集光伏组件产生的电能，然后将其输送至逆变器进行转换和交流输出。
大，中型光伏电站通常根据阵列排布选择12进1出和16进1出的汇流箱规格，也可以混合使用两种规格。设计时优先选用回路更多的规格。汇流箱应具备切除故障电流的功能，进线侧采用光伏专用直流熔断器进行保护，而出线侧一般采用直流低压塑壳开关，不推荐使用熔断器进行保护。此外，汇流箱应配备光伏专用浪涌保护器，并具备防雷功能的正负极。在汇流箱内部应安装监测装置，并具备通信接口，以实时监测和上传各进线分支的直流电流、输出总电流、母线电压、总输出功率、各分支熔断器与直流低压塑壳开关的状态，以及各进线分支的异常报警灯。
为了便于固定安装，汇流箱一般采用挂式安装于系统支架上，并确保箱底安装高度满足各限制条件的要求。汇流箱的进出线安装位置与箱体底部应留有足够的安装空间，以方便施工并保证安装质量。
考虑到运行安全系数，汇流箱的各分支进线回路可以安装防反二极管，但这会导致一定的发电损失。设计时需要综合考虑电站建设环境、方式等因素，是否安装防反二极管。在湿度大、腐蚀性强的地方，或者直流电缆直埋敷设时，建议安装以确保安全运行；而在电站建设环境良好、直流电缆沿桥架敷设时，为追求更高的发电量，建议不安装。需要注意的是，安装防反二极管会增加其自身的故障风险，不适宜在环境温度较高的地方进行安装。
根据当地气候条件，汇流箱在电站各个位置的防护等级应进行有针对性的设计，以确保其适应环境。举例来说，在湿度较大的地方（如渔光互补项目），需要提高防潮等级，以防止潮气对汇流箱的损害；在温度较高的地方（如农光互补、农业大棚内），需要加强散热功能，以保持汇流箱的正常工作温度；而在腐蚀性强的地方（例如沿海滩涂），汇流箱的外壳应采用不锈钢或合金等耐腐蚀材料，以增强其抵御腐蚀的能力。
因此，在设计汇流箱时，要考虑到当地的气候特点，并根据具体情况选择适当的防护等级和材料，以保证汇流箱在各种环境下的可靠运行和长期耐用性。
五、逆变器设计选型及安装
逆变器在光伏电站中负责将直流电能转换为交流电能。逆变器的选择对整个系统的性能和效率有着重要影响。大，中型并网光伏电站通常会选择大容量的集中式并网逆变器，因为单台逆变器的容量越大，制造成本相对较低，转换效率也更高。这不仅可以降低投资成本，还可以增加系统的可靠性。
但是，除了容量外，转换效率也是选型时需要考虑的因素。逆变器的转换效率越高，光伏发电系统的整体效率就越高，从而减小系统总发电量的损失。因此，在相同容量的情况下，选择转换效率高的逆变器是明智的选择。
逆变器运行有一些要求和功能，包括宽范围的直流输入、抗干扰能力、环境适应力和瞬时过载能力。在太阳辐射较低的早晨和傍晚，逆变器需要具备一定的抗干扰能力，以保证正常运行。在一定程度的过电压情况下，逆变器也应能正常工作，并能自动与主电网断开连接，以解除故障状态。在系统发生扰动后，逆变器需要等待电网电压和频率恢复正常之前，不允许与电网连接，并能自动重新连接一段延时后。根据电网对光伏电站的要求，逆变器还应具备交流过压和欠压保护、超频和欠频保护、防止孤岛效应的保护、交流和直流过流保护、过载保护以及高温保护等功能。此外，逆变器还应具备多种通信接口，以便进行数据采集和传送给控制室。
集中型并网逆变器的布置通常会考虑降低直流电缆使用量和减少直流损耗的因素，因此尽量放置在各个子方阵的中间位置是较为理想的。然而，对于“渔光互补”型光伏电站来说，子阵的建设通常在鱼塘或者藕塘中进行，这就导致逆变器的安装和运行维护非常不便。因此，在这种情况下，逆变器应当安装在站内道路的两侧，同时尽量靠近各个子阵。即便如此，仍然应该考虑到道路、逆变器和汇流箱的有机结合，在电站整体布局之前就要进行考虑。至于屋顶式光伏电站的逆变器，一般设计为地面安装，或者直接安装在建筑物的地下空间内。
对于采用自动跟踪系统的大型光伏阵列来说，由于占地面积较大且支架系统之间的距离较远，如果使用集中式逆变器，会导致直流电缆用量和直流损耗较大。因此，可以考虑选择组串式小容量逆变器。另外，逆变器的进出线安装位置与箱体底部应该有足够的安装空间。目前国内很多逆变器的进出线安装相当不方便，给安装带来了很大的困难，也存在一定的安全和质量隐患。一般规定进出线安装位置与箱体底部应预留约250毫米的安装空间。
六、升压变压器设计选型
针对大、中型并网光伏电站，通常会选择2*500kW的集中式逆变器，并配备1000kVA低压双分裂式变压器。为了方便安装、减少维护成本等考虑，常采用具有户外式、体积小、安装方便、少维护等特点的箱式变电站。在箱变的选择上，常见的有美式油变和欧式干变。美式油变具有紧凑的结构、小体积、相对较低的成本和强大的过载能力，安装也比较方便。然而，其主要缺点是变压器本身、负荷开关等封闭在箱体内部，一旦发生故障，更换起来不太方便，同时也容易出现渗漏油的问题，因此需要建设事故油池。欧式干变在结构上与美式油变有所不同，一般采用干式绝缘材料，不需要填充绝缘油。它不会发生渗漏油问题，更换和维修较为方便，但相对来说成本较高。选择箱变时需要综合考虑实际情况，根据成本、维护便捷性以及安全要求等因素进行权衡。
对于油变箱式变电站，确实存在熔断器与油箱内部结构的质量通病。在熔断器熔断后缺少三相联跳装置的情况下，可能导致缺相运行的问题。此外，油变的重瓦斯跳闸只能切断本回路的低压侧，无法隔离高压进线电源。相比之下，欧式干变箱式变电站的优势在于空间相对较大，安装更方便，便于维修。高低压部分独立隔断，操作安全系数较高，并且可以根据用户的配置需求选择不同柜型。然而，欧式干变的缺点是占地面积较大、成本相对较高、过载能力一般，并且在湿度较大的环境下，绝缘支撑件和分接开关位置容易出现闪落和爬电问题，如果不及时处理可能会导致故障的扩大。在箱变内部一般会安装变压器综合保护装置，并配备多种通信接口用于数据采集并发送至控制室。这样可以实现对变压器的全面监测和保护操作。
七、高压开关的选择
光伏电站通常使用金属铠装中置开关柜，并配置断路器和继电保护装置。这些标准成套设备已经技术成熟，选型时主要考虑品牌和造价。为了实现对电站的综合保护，综合保护装置应具备多种通信接口，以便进行数据采集并将数据发送至控制室。这样能够实现对电站运行状态的监测和远程控制，提高管理效率。
至于升压变压器的布置，一般紧靠集中式逆变器安装，并设计在一个基础平台上。这样的布置有利于减少电网连接输电线路的长度，降低输电损耗，并提高光伏电站的发电效率。嗯，选购高压开关时的意义很重要。选择合适的高压开关对于电站的运行安全和运行效率都有着重要的影响。首先，高压开关在光伏电站中起着断开和闭合电路的作用，对电流的控制和保护起着关键作用。选用适当的高压开关能够确保电站运行时的安全可靠。其次，高压开关需要与其他设备进行配合使用，如断路器、继电保护等。选用合适的高压开关能够确保与其他设备的兼容性，使整个系统能够协同工作，提高电站的运行效率。
此外，品牌和造价也是选型过程中需要考虑的因素。选择知名品牌的高压开关能够获得更好的质量保证和售后服务。而在考虑成本时，需要综合考虑设备的性能和价格，找到性价比最高的选项。另外，综合保护装置应该具备多种通信接口，以便进行数据采集并将数据发送至控制室。这样能够实现对电站运行状态的监测和远程控制，提高管理效率。对于升压变压器的布置，一般会将其紧靠集中式逆变器安装，并设计在一个基础平台上。这样可以减少电网连接输电线路的长度，降低输电损耗，提高光伏电站的发电效率。
八、防雷接地工程
对于光伏电站的接地材料选择，确保选择合适的材料非常重要。镀锌扁钢是首选材料，可以有效防止腐蚀。热镀锌扁钢的年平均腐蚀率较低，约为0.1mm/年，但需要注意钢材存在点蚀现象，点蚀速度比年平均腐蚀率高几倍，因此实际寿命仅约为15~20年。然而，如果光伏电站建设地处于强腐蚀地区，就需要选择钢镀铜材料。钢镀铜材料不存在点蚀问题，属于缓慢的均匀腐蚀。铜在土壤中的腐蚀速度与钢相当，铜的年腐蚀率为0.02mm/年。纯铜接地装置的寿命可达50年，而钢镀铜接地装置的实际寿命可达25-30年。
由于光伏电站占地面积较大，一般不配置避雷针。相反，主要通过组件支架与场区接地网连接来提供接地保护，并且在总体投资中所占比例相对较小。在综合利用的光伏电站中，全封闭式管理往往无法实现，因此接地保护尤为重要，不能马虎对待。良好的接地网是保障设备和人身安全的重要保证。
九、综合自动化系统
光伏电站的综合自动化系统是指利用先进的信息技术和自动化控制技术，对光伏电站的各个子系统进行集成和协调管理的系统。该系统的主要功能包括监控、控制、数据采集、故障诊断、能源管理等。光伏电站综合自动化系统的关键组成部分包括以下几个方面：
1. 监控系统：通过安装在光伏电站各个关键设备和部位的传感器和仪表，实时监测光伏电站的运行状态、发电功率、电流电压、温度等关键参数。监控系统能够提供对光伏电站的全面监测和可视化展示，及时发现并定位故障和异常情况。
2. 控制系统：基于采集到的实时数据，对光伏电站的各个设备进行控制和调节，以实现最佳运行状态和最大发电效率。控制系统可以自动调整光伏组件的倾斜角度、跟踪太阳位置的跟踪系统、电池组的充放电控制等。
3. 数据采集与存储系统：负责对光伏电站的各项数据进行采集、存储和管理，包括历史数据、实时数据和故障报警数据等。这些数据可以用于后续的数据分析、系统调优和性能评估。
4. 故障诊断与维护管理系统：通过对光伏电站各个设备和系统进行故障诊断、分析和预警，及时发现并处理电站运行中出现的故障和问题。该系统可以帮助运维人员提高故障排除效率，降低维护成本。
5. 能源管理系统：对光伏电站的发电功率、负荷需求、电网交互等进行综合管理和优化。通过合理调度和控制发电设备的运行，实现光伏电站的最佳发电效益和能源利用效率。
光伏电站的综合自动化系统可以提高光伏电站的运行效率、降低运维成本，同时提供灵活性和可靠性，确保光伏电站的安全稳定运行。
综上所述，光伏电站建址选择太阳能资源丰富、地址条件优越的区域。确保能够顺利通过各部门的评审。总体布局要经济实惠，方便检修，并尽量避免大规模重新规划。选择效率高、功率大、性能稳定的光伏组件，并合理选择组件排列方式。根据工程特点选择适合的支架系统和基础类型。汇流箱和逆变器的防护等级要与当地环境相适应。尽量减少集电线路的用量，通过电缆长度和容量计算选择合适的电缆截面，降低线路损耗。确保全站接地系统可靠，配备完备的自动化监控系统。所有参数要满足设计运行年限的要求，通常为25年。
文章来源：科超云
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