尽管人们对利用太阳能发电的热情越来越高，但在实际应用中，如何设计一个高效、稳定、可持续的光伏电站仍然是一个要求较高的工作。设计并不只是关于技术，更涉及到环境和经济因素。本文将深度探讨诸如系统效率、最佳朝向及倾角、阴影遮挡和组件与逆变器的匹配等一系列光伏电站设计的关键因素，希望为您在实际设计过程中提供有益的参考。
一、系统PR值
定义：系统实际交流发电量与理论直流发电量之比。
考虑了光伏阵列效率、逆变器效率以及交流配电设备效率等因素，在一定程度上表现了光伏电站的综合性能和质量。
（_是测试时间内入射到光伏阵列表面的太阳辐照量（kWh/m2）；_为系统的标称功率（W）；_为标准测试状态的太阳辐照度，即1 kW/m2。）
二、最佳朝向及倾角
在利用太阳能光伏发电的系统中，要确保安装的太阳能组件发电量达到最高，必须选取最佳的方位，最理想的倾斜角是使太阳能电池年发电量尽可能大，如何选定则是一个十分重要的问题。
1、方位角（正南朝向）
太阳电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度，零度朝向正南即为最佳）。通常踏勘中采用的是指南针法，即以地磁南极作为正南来进行系统设计，但需要了解的是系统设计中“正南”正确方式应该采用地理南极来确定。
2、倾斜角
倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角，并希望此夹角是方阵一年中发电量为最大时的最佳倾斜角度。一年中的最佳倾斜角与当地的地理纬度有关，当纬度较高时，相应的倾斜角也大。
三、阴影遮挡
阴影遮挡常遇到的一个问题，对光伏的发电特性占主导地位，组件的IV输出特性在阴影的影响下会呈现多个马鞍形，由于逆变器的MPP跟踪电压范围有限以及算法的局限性会给方阵组串的实际MPP电压带来偏移，继而带来发电量的损失。
1、暂时性阴影
很多因素会造成光伏阵列上的暂时性的阴影一些典型的因素例如：雪、落叶、鸟粪以及其他形式的污染物等；通常情况下大于12°的光伏组件的倾角对光伏阵列的自洁较为有利。
2、环境阴影
环境阴影包括安装地点周围环境物体产生的阴影，如建筑物，树木等。主要是植物和周围建筑物的阴影。对于植物，要考虑高大乔木的生长问题；对于建筑物，主要有如下情况：烟囱、天线、避雷针、卫星天线、屋顶和幕墙的突出部分以及周围其他的建筑物阴影遮挡。
3、系统自身阴影
使用支架安装的光伏阵列，前排的光伏组件形成的阴影会落到后排。关于系统整列之间的阴影遮挡通常采用建模的方式模拟。
四、阴影分析计算公式
组件阵列必须考虑前、后排的阴影遮挡问题，通过计算确定阵列间的距离或光伏阵列与建筑物的距离。一般的确定原则是: 冬至日09: 00—15: 00 ( 本文中的时间均为当地真太阳时) 的时间段内，光伏阵列不应被遮挡。固定式布置的光伏阵列布局如图所示，冬至日09: 00—15: 00，不被遮挡的间距D可由以下公式计算:
D = L cos β
L = h /tan α
α = arc sin( sin φ sin δ + cos φ cos δ cos ω)
β = arc sin( cos δ sin ω/cos α)
h = l sin θ
α 为太阳高度角; β 为太阳方位角; D 为遮挡物与阵列的间距; h 为前排阵列最高端与后排阵列最低端的高度差; φ 为当地纬度; δ 为太阳赤纬角; ω 为时角; θ 为组件倾角; l 为前排光伏组件斜面长度; L为阳光射线在地面上的投影。
日照间距系数R = D/h ，通过软件可以计算出不同纬度9: 00 时的棒影长度L( 假设垂直立于水平地面的木棒，棒高h1 = 1 m) 及遮挡物与阵列的间距D。
通过计算出不同纬度不同地区的日照间距系数R并制作成速查表，在项目设计中可迅速查找某地9: 00 时的日照间距系数并估算光伏阵列的间距。
α 为太阳高度角; β 为太阳方位角; D 为遮挡物与阵列的间距; h 为前排阵列最高端与后排阵列最低端的高度差; φ 为当地纬度; δ 为太阳赤纬角; ω 为时角; θ 为组件倾角; l 为前排光伏组件斜面长度; L为阳光射线在地面上的投影。
五、组件与逆变器的匹配
组件的串并联和逆变器性能的匹配和优化，主要是考虑温度对组件电性能的影响，涉及到以下几个方面：
组件串联后的开路电压要小于逆变器可以接受的最高直流输入电压。
组件串联后的MPPT工作电压必须在逆变器规定的范围内，光伏阵列的最大电流不超过逆变器的允许最大直流电流。
六、组件的串联数量选择
在光伏发电系统中，由于单块组件的电压较小，在组件和逆变器的匹配中，组件需要多块串联起来以升高整体电压从而达到减少设备、线缆并匹配逆变器的作用，在一定程度上提高系统效率。
光伏组件的串联电压之和要小于光伏组件的耐受电压， S×Voc＜组件的耐受电压（1000V， 1500V）。
在光伏发电系统中，由于单块组件的输出较小（常规8A左右），组件串联不影响系统电流，组件并联电流叠加，所以在系统设计中通常采用合理的并联组串来提高系统输出电流，达到汇流作用，在组件和逆变器的匹配中，组串需要多串并联起来接入交直流汇流箱，匹配逆变器参数。
光伏阵列的最大电流不超过逆变器的允许最大直流电流 。
七、系统组件及逆变器的额定功率比
在系统设计中，组件的阵列安装功率和对应的逆变器额定功率需要匹配，通常逆变器的参数中都提供有官方的输入功率范围。
额定功率比：
八、系统荷载与建筑物的载荷
系统设计荷载指不同系统形式的荷载值，由组件部分、支架部分、线缆线槽部分组成，在屋顶系统中尤为重要。建筑物的载荷是指建筑物在设计时预留的安全承载值，常见的有：结构自重、楼面活荷载、屋面活荷载、屋面积灰荷载、车辆荷载、吊车荷载、设备动力荷载以及风、雪、裹冰、波浪等自然荷载。光伏系统中主要参考屋面恒荷载（系统自重）及活荷载（施工零时重量）。
永久荷载（恒载），恒载也称永久荷载，是施加在工程结构上不变的（或其变化与平均值相比可以忽略不计的）荷载。如结构自重、外加永久性的承重、非承重结构构件和建筑装饰构件的重量、土压力等。因为恒载在整个使用期内总是持续地施加在结构上，所以设计结构时，必须考虑它的长期效应。
可变荷载（活载荷），活荷载也称可变荷载，是施加在结构上的由人群、物料和交通工具引起的使用或占用荷载和自然产生的自然荷载。
九、系统容量与并网容量的功率比
定义：系统设计安装容量与并网点上一级变压器容量之比。
根据国家《光伏电站接入电网技术规定》：小型光伏电站总容量原则上不宜超过上一级变压器供电区域内的最大负荷的25%。如果变压器长期超负荷运行，会导致过热，破坏绝缘体，引起短路、爆燃。
但光伏系统的接入容量并不等同于变压器的负荷，实际建设中，国内及国外基本没有几个项目按照该标准（25%）进行接入设计，实际工程中，可以以此为标准估算项目的建设安装容量。
十、系统并网方式
光伏系统在完成了直流发电及交流逆变后需要采取一定的方式并入电网，光伏发电系统的并网方式决定了项目的收益方式，在实际项目中需要技术可行性及经济可行性两方面进行选择。
按照电压等级可分为：380V/220V低压并网，10kV及以上高压并网；
按照补贴政策可分为：享受国家标杆上网电价的“10kV及以上等级电网侧电站型并网”，享受国家分布式度电补贴的“10KV及以下等级用户侧分布式型并网”。
总的来看，光伏电站设计的每一个关键点都需要仔细考虑和详细计算。从系统的实际效率，到最佳的朝向和倾角，再到阴影遮挡的处理和组件与逆变器的匹配，每一个环节的优化都能提高光伏电站的整体效率，从而使太阳能发电更加高效和可持续。同时，光伏电站的设计还需要考虑到系统荷载与建筑物载荷、系统容量与并网容量的功率比、系统并网方式等因素，以保证光伏电站的安全和稳定运行。通过充分理解和应用这些设计要素，我们可以在实际操作中更好地实现理想中的光伏电站设计，让清洁、绿色的太阳能更好地服务于我们的生活。
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