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摘要：当前，光伏发电已成为建筑节能的一种新趋势，国家大力支持光伏产业的发展，让光伏技术得到了突飞猛进的发展。然而，光伏发电仍存在一些问题，尤其是在电气系统设计上，不仅需要考虑到地理、环境的因素，还要与原有的电气系统取得协调。文章分析了光伏发电电气系统的设计方法，以期对光伏发电电气系统设计优化管理提供新的思路。
关键词：光伏；电气系统；设计优化
改革开放以来，随着科学技术的发展和对环保的重视，国家对新能源的发展越发重视。光伏作为清洁、环保的能源，不仅在近些年获得了大幅度发展，也受到了国家政策上的高度重视和支持。2015年9月底，国家能源局发布《关于调增部分地区2015年光伏电站建设规模的通知》，在原计划基础上增加30%，全国增加光伏电站建设规模530万千瓦。而在此前的3月，国家能源局发布的《关于下达2015年光伏发电建设实施方案的通知》提出，2015年全国新增光伏电站建设规模1780万千瓦。自2015年9月25日起提高可再生能源电价附加征收标准，进一步完善脱硝等环保电价政策，从经济利益层面推动了光伏的推广和发展。
而在实际的应用中，在建筑工程中引入光伏发电电气系统，成为一种新的发展模式。早在2007年，由蓝天组设计的德国宝马世界就正式对外开放。宝马世界在第五立面安装了3660块光伏电池板，设计功率高达810千瓦。而日本三洋公司建成的太阳方舟，使用5046块光伏电池板，设计功率达到630千瓦，是大规模应用光伏电池的光伏建筑典范。
我国光伏产业在政策支持和资金投入下，在近些年得到了突飞猛进的发展。尤其是近两年，由于对新能源的重视，光伏实现了产业和技术双方面的“大跃进”。就在2015年，三晶电气在新疆阿克苏地区分布式光伏电站并网成功。该项目装机容量12千瓦，使用多晶硅54块。国家体育馆作为奥运会主场馆之一，也通过采用1000平方米的光伏电池板，取得年发电量97000千瓦时的成果。目前，光伏不仅应用在工厂、企业方面，一些单独的家庭用户也在尝试使用光伏进行节能。因此光伏发电电气系统设计不仅关系到企业、工厂工作和生产的正常进行，也直接关系到广大人民群众的生命财产安全。
1.光伏发电电气系统设计内容
光伏发电系统是将太阳能辐射能转化为可用电能的解决系统，一般而言有并网光伏系统、独立光伏系统和智能微网光伏系统。在新农村进一步推行的今天，光伏发电电气系统设计，必须充分到偏远农村、高原沙漠、村庄和单独家庭等影响要素。按照建设部《建筑工程设计文件编制深度规定》的有关规定，电气设计应该包括光伏电气系统设计说明、光伏电气系统图、光伏电池排列及连线图、部件深化图和设备安装布置图。而具体到实际的设计应用上，如民用建筑光伏系统，则包含光伏方阵、逆变器、储能装置和充放电控制器组成，在设计时，还需要充分考虑到是否为交流负荷供电。
光伏发电电气系统设计需要与建筑原有或规划的电气设计相互协调，避免出现相互干扰和故障。在满足建筑整体电气设计的要求基础上，对电气设计进行优化和提高，是光伏发电电气系统设计的主要目标。加上光伏发电拥有自身的特点和局限性，因此，在光伏发电电气系统设计时，要充分考虑到建设地点的地理信息、天文信息和气候信息，根据这些信息，选择合适的光伏组件，设计光伏方阵的朝向、布局、间距等。在选择装机容量之后，再按照参数设计光伏组串，计算光伏系统的发电量。
在光伏方阵设计上，要充分考虑当地的地理、气候和太阳能资源，这些是光伏方阵设计的基础和前提。光伏组件的最佳倾角为偏离正南方向正负20度，而当方位角不为正南方向时，通常将光伏组件水平安装。此外，大于10度的倾角，有利于防止组件表面积水、积雪和积尘，保证光伏组件的正常运作。
在逆变器设计上，在光伏方阵朝向、间距统一的光伏系统中采用集中逆变方式，而在光伏方阵朝向、间距具有差异性或部分会被阴影遮挡时，采用分散逆变方式。前者具有安装便捷、维护方便、初始成本较低、输出电能质量和效率较高的优点，但是整个系统对于故障的预防效果较差，一旦出现故障，整个系统都将受到影响，停止工作。后者能够减少电能在输出过程中的损耗，便于控制和维护，在部分出现故障时，整个系统仍可以正常运作。但是，初始成本较高，发电成本也不低，对于资金的要求比较严格。
光伏接线箱一般设置在便于操作和检修的位置，作为连接所有光伏组件的箱体，其防护等级不应低于IP54，而带有数据采集功能的箱体防护等级不应低于IP65。光伏接线箱通过安装直流断路器、电涌保护器，在维修光伏系统时分离电路，并对电路进行保护。光伏配电箱则包含直流和交流配电箱，内置汇流铜母排，有直流断路器、电涌保护器等部件。并网配电箱是将光伏系统与公共电网进行连接的关键，在一方出现故障需要检修时，通过并网配电箱可以将两网之间进行脱离，避免影响电力系统的正常使用，保障使用者和维修者的人身安全。
在交直流线缆设计上，由于光伏发电的地理位置、环境比较特殊，对于线缆的性能要求也较高。在具体场合中，应当对线缆的特殊性能进行要求，如防蚁、防鼠、抗紫外线、耐高温等等。在光伏系统交流侧，线缆额定电压至少要等于系统额定电压，在光伏系统直流侧，线缆额定电压应高于光伏方阵最大输出电压的1.25倍。同时，在线缆的敷设上，应尽量与建筑电气系统线缆进行隔离敷设，直流侧的线缆应多敷设在户外，从而节省成本、减少电能损耗。
在光伏系统保护设计上，要充分考虑到雷电对光伏的影响。对于直击雷，安装避雷针和避雷带。对于电磁感应产生的感应雷，要安装防雷器。在具体设计时，不仅要考虑到对光伏组件、设备的防护，还要将建筑原有的电气系统纳入防护范围。此外，光伏系统还应该保护建筑的结构安全，不破坏屋面防水，用压重增加支架的稳定性，如果屋面承重不允许采用压重的方式，则可以采用将支架与屋面结构连接的方式。
2.光伏发电电气系统设计优化方向
智能电网和微电网是电网的大发展方向，同时也是光伏发电的未来发展之路。而在光伏发电电气系统设计优化上，不仅要针对现有的技术、流程进行更新换代，还需要在政策上对光伏产业进行支持，从而推进光伏发电电气系统设计优化的整体进程。
智能电网是电网技术发展的必然趋势，是社会经济发展的必然选择。在光伏发电电气系统设计中，可以引进人工智能的作用，通过人工智能的神经网络系统和模糊推理系统，对光伏发电电气系统中的设备、线路进行实时监控，及时发现和处理问题。并且在线路、设备出现异常时，能够通过大数据及时进行处理，保护线路和设备的安全，保证整个建筑的安全。同时，光伏发电电气系统智能化，还可以根据实际的使用情况，实现能源的自动调节，从而节约能源，维持设备和线路的正常工作，减少设备和线路的损耗。
微电网是通过本地分布式光伏发电，向附近负荷提供电能的特殊电网。相对于传统的电源而言，具备高独立性、高操控性。微电网不仅可以独立自主运行，还可以并入主网，与其他电源一起工作。尤其是对于光伏发电而言，白天的发电量较大，但使用较少，就可以通过并入主网，将电能提供给附近的工厂等，从而有效利用能源。
建设部“关于组织实施太阳能光电建筑应用一体化示范的通知”中要求提高光伏发电对现有电网条件的适应能力。因此，在光伏发电电气系统设计中，可以结合人工智能和微电网的优势。同时，政策上要落实补贴，破除场地使用限制，简政放权，积极鼓励个人光伏电站将余电“上网”，一方面降低个人光伏电站的成本，另一方面，推进我国绿色能源的使用和推广。
光伏发电产业虽然发展了一段时间，发电电气系统设计上也逐步完善，但不论是产业的发展，还是具体的光伏发电电气系统设计上，都还存在一些问题。然而，随着国家对光伏产业的支持和鼓励，光伏产业必将发展得越来越好，而光伏发电电气系统设计的重要性，也将进一步得到重视。
关键词：光伏；电气系统；设计优化
改革开放以来，随着科学技术的发展和对环保的重视，国家对新能源的发展越发重视。光伏作为清洁、环保的能源，不仅在近些年获得了大幅度发展，也受到了国家政策上的高度重视和支持。2015年9月底，国家能源局发布《关于调增部分地区2015年光伏电站建设规模的通知》，在原计划基础上增加30%，全国增加光伏电站建设规模530万千瓦。而在此前的3月，国家能源局发布的《关于下达2015年光伏发电建设实施方案的通知》提出，2015年全国新增光伏电站建设规模1780万千瓦。自2015年9月25日起提高可再生能源电价附加征收标准，进一步完善脱硝等环保电价政策，从经济利益层面推动了光伏的推广和发展。
而在实际的应用中，在建筑工程中引入光伏发电电气系统，成为一种新的发展模式。早在2007年，由蓝天组设计的德国宝马世界就正式对外开放。宝马世界在第五立面安装了3660块光伏电池板，设计功率高达810千瓦。而日本三洋公司建成的太阳方舟，使用5046块光伏电池板，设计功率达到630千瓦，是大规模应用光伏电池的光伏建筑典范。
我国光伏产业在政策支持和资金投入下，在近些年得到了突飞猛进的发展。尤其是近两年，由于对新能源的重视，光伏实现了产业和技术双方面的“大跃进”。就在2015年，三晶电气在新疆阿克苏地区分布式光伏电站并网成功。该项目装机容量12千瓦，使用多晶硅54块。国家体育馆作为奥运会主场馆之一，也通过采用1000平方米的光伏电池板，取得年发电量97000千瓦时的成果。目前，光伏不仅应用在工厂、企业方面，一些单独的家庭用户也在尝试使用光伏进行节能。因此光伏发电电气系统设计不仅关系到企业、工厂工作和生产的正常进行，也直接关系到广大人民群众的生命财产安全。
1.光伏发电电气系统设计内容
光伏发电系统是将太阳能辐射能转化为可用电能的解决系统，一般而言有并网光伏系统、独立光伏系统和智能微网光伏系统。在新农村进一步推行的今天，光伏发电电气系统设计，必须充分到偏远农村、高原沙漠、村庄和单独家庭等影响要素。按照建设部《建筑工程设计文件编制深度规定》的有关规定，电气设计应该包括光伏电气系统设计说明、光伏电气系统图、光伏电池排列及连线图、部件深化图和设备安装布置图。而具体到实际的设计应用上，如民用建筑光伏系统，则包含光伏方阵、逆变器、储能装置和充放电控制器组成，在设计时，还需要充分考虑到是否为交流负荷供电。
光伏发电电气系统设计需要与建筑原有或规划的电气设计相互协调，避免出现相互干扰和故障。在满足建筑整体电气设计的要求基础上，对电气设计进行优化和提高，是光伏发电电气系统设计的主要目标。加上光伏发电拥有自身的特点和局限性，因此，在光伏发电电气系统设计时，要充分考虑到建设地点的地理信息、天文信息和气候信息，根据这些信息，选择合适的光伏组件，设计光伏方阵的朝向、布局、间距等。在选择装机容量之后，再按照参数设计光伏组串，计算光伏系统的发电量。
在光伏方阵设计上，要充分考虑当地的地理、气候和太阳能资源，这些是光伏方阵设计的基础和前提。光伏组件的最佳倾角为偏离正南方向正负20度，而当方位角不为正南方向时，通常将光伏组件水平安装。此外，大于10度的倾角，有利于防止组件表面积水、积雪和积尘，保证光伏组件的正常运作。
在逆变器设计上，在光伏方阵朝向、间距统一的光伏系统中采用集中逆变方式，而在光伏方阵朝向、间距具有差异性或部分会被阴影遮挡时，采用分散逆变方式。前者具有安装便捷、维护方便、初始成本较低、输出电能质量和效率较高的优点，但是整个系统对于故障的预防效果较差，一旦出现故障，整个系统都将受到影响，停止工作。后者能够减少电能在输出过程中的损耗，便于控制和维护，在部分出现故障时，整个系统仍可以正常运作。但是，初始成本较高，发电成本也不低，对于资金的要求比较严格。
光伏接线箱一般设置在便于操作和检修的位置，作为连接所有光伏组件的箱体，其防护等级不应低于IP54，而带有数据采集功能的箱体防护等级不应低于IP65。光伏接线箱通过安装直流断路器、电涌保护器，在维修光伏系统时分离电路，并对电路进行保护。光伏配电箱则包含直流和交流配电箱，内置汇流铜母排，有直流断路器、电涌保护器等部件。并网配电箱是将光伏系统与公共电网进行连接的关键，在一方出现故障需要检修时，通过并网配电箱可以将两网之间进行脱离，避免影响电力系统的正常使用，保障使用者和维修者的人身安全。
在交直流线缆设计上，由于光伏发电的地理位置、环境比较特殊，对于线缆的性能要求也较高。在具体场合中，应当对线缆的特殊性能进行要求，如防蚁、防鼠、抗紫外线、耐高温等等。在光伏系统交流侧，线缆额定电压至少要等于系统额定电压，在光伏系统直流侧，线缆额定电压应高于光伏方阵最大输出电压的1.25倍。同时，在线缆的敷设上，应尽量与建筑电气系统线缆进行隔离敷设，直流侧的线缆应多敷设在户外，从而节省成本、减少电能损耗。
在光伏系统保护设计上，要充分考虑到雷电对光伏的影响。对于直击雷，安装避雷针和避雷带。对于电磁感应产生的感应雷，要安装防雷器。在具体设计时，不仅要考虑到对光伏组件、设备的防护，还要将建筑原有的电气系统纳入防护范围。此外，光伏系统还应该保护建筑的结构安全，不破坏屋面防水，用压重增加支架的稳定性，如果屋面承重不允许采用压重的方式，则可以采用将支架与屋面结构连接的方式。
2.光伏发电电气系统设计优化方向
智能电网和微电网是电网的大发展方向，同时也是光伏发电的未来发展之路。而在光伏发电电气系统设计优化上，不仅要针对现有的技术、流程进行更新换代，还需要在政策上对光伏产业进行支持，从而推进光伏发电电气系统设计优化的整体进程。
智能电网是电网技术发展的必然趋势，是社会经济发展的必然选择。在光伏发电电气系统设计中，可以引进人工智能的作用，通过人工智能的神经网络系统和模糊推理系统，对光伏发电电气系统中的设备、线路进行实时监控，及时发现和处理问题。并且在线路、设备出现异常时，能够通过大数据及时进行处理，保护线路和设备的安全，保证整个建筑的安全。同时，光伏发电电气系统智能化，还可以根据实际的使用情况，实现能源的自动调节，从而节约能源，维持设备和线路的正常工作，减少设备和线路的损耗。
微电网是通过本地分布式光伏发电，向附近负荷提供电能的特殊电网。相对于传统的电源而言，具备高独立性、高操控性。微电网不仅可以独立自主运行，还可以并入主网，与其他电源一起工作。尤其是对于光伏发电而言，白天的发电量较大，但使用较少，就可以通过并入主网，将电能提供给附近的工厂等，从而有效利用能源。
建设部“关于组织实施太阳能光电建筑应用一体化示范的通知”中要求提高光伏发电对现有电网条件的适应能力。因此，在光伏发电电气系统设计中，可以结合人工智能和微电网的优势。同时，政策上要落实补贴，破除场地使用限制，简政放权，积极鼓励个人光伏电站将余电“上网”，一方面降低个人光伏电站的成本，另一方面，推进我国绿色能源的使用和推广。
光伏发电产业虽然发展了一段时间，发电电气系统设计上也逐步完善，但不论是产业的发展，还是具体的光伏发电电气系统设计上，都还存在一些问题。然而，随着国家对光伏产业的支持和鼓励，光伏产业必将发展得越来越好，而光伏发电电气系统设计的重要性，也将进一步得到重视。