本书从光伏发电系统规划与设计岗位所需的知识、能力、素养要求出发, 详细介绍了离网与并网光伏发电系统的分类、结构与组成, 以及太阳辐射基本常识与光资源计算方法, 系统阐述了光伏发电单元、储能系统、电力转换设备、控制系统等关键设备的工作原理、类型选择与性能参数, 并从安全等角度着重讲解了防雷、接地、电缆等内容, 为光伏电站的防雷、接地、电缆等设计提供了全面指导。书中以光伏发电系统选址、项目开发、典型光伏发电系统设计案例贯穿全书, 将各知识点融会贯通。

本书每章后附有“拓展阅读” 和“思考与练习”, 帮助读者拓宽视野, 加深对相关知识的理解与应用。

本书适合作为高等职业院校新能源发电工程类、机电设备类、自动化类等相关专业的教材, 也可作为光伏发电系统设计、施工、运维等工程技术人员的参考书。

随着全球能源转型进程的加快, 光伏发电作为清洁能源的重要组成部分, 正在全球范围内蓬勃发展。中国作为世界光伏产业的领军者, 不仅在装机容量、技术创新方面位居全球前列, 在人才培养与教育方面也需要与产业发展同步推进。为适应光伏产业的快速发展对专业技术人才培养的需求, 我们于2019 年编写出版了《光伏发电系统规划与设计》第一版的教材, 为高校相关专业的教学与实践提供了重要支撑。

第一版教材自出版以来, 得到广大师生和行业从业人员的广泛认可与好评。该教材以系统化、实用性强的特点, 围绕光伏发电系统的基本原理、主要设备、系统设计等核心内容进行全面阐述, 并通过具体案例将理论与实践紧密结合, 有效满足了教学与工程应用的需求。在实际使用过程中, 众多师生反馈其内容架构清晰、案例丰富, 对学习和实践具有很强的指导意义。同时, 我们也收到了宝贵的反馈意见, 主要集中在对光伏发电系统的防雷与接地设计、电缆选型、最新技术发展等方面内容的补充需求。

近年来, 随着光伏产业的迅猛发展, 技术更新迭代加速, 新型光伏组件、逆变器、储能设备不断涌现; 同时, 大型光伏电站的安全运行问题日益突出, 防雷、接地、电缆选择等安全设计环节的重要性愈发凸显。加之国家能源局、住建部等部门陆续出台了一系列光伏发电系统设计、施工、验收等相关标准规范, 这些都为本书的修订提供了充分的理由和依据。

在修订过程中, 我们坚持保留了第一版教材的特色, 同时在以下几方面进行了重点优化与扩充:一是对原有内容进行了重新梳理与整合, 使章节结构更加合理、知识体系更加完善;将光伏发电单元与存储单元、电力转换与控制系统等内容单独成章, 使核心装备的介绍更加系统、全面。二是增补了光伏电站安全性设计相关内容, 丰富了“防雷技术” 与“接地系统” 相关内容并单独成章, 系统阐述了光伏电站防雷与接地的理论基础、设计方法与工程实践, 弥补了上一版教材的不足; 新增的“ 电缆” 专章, 详细介绍了电力电缆选型与敷设的技术要点, 为光伏电站的安全稳定运行提供了重要保障。三是更新了光伏组件、储能系统、逆变器等设备的最新技术与产品信息, 增加了典型产品的参数与应用案例, 使教材内容与行业最新发展保持同步。四是新增了“ 拓展阅读” 栏目, 介绍了光伏技术的前沿发展、创新应用与未来展望, 拓宽了学习者的视野; 同时在每章末增设“思考与练习” 环节,加强了教材的教学实用性。

本书由新余学院、湖南理工职业技术学院黄建华, 湖南理工职业技术学院张要锋,湖南铁道职业技术学院李丹, 湖南理工职业技术学院段文杰主编, 湖南理工职业技术学院冯玉洁、朔州职业技术学院常艳霞、湖南铁路科技职业技术学院张翼参与编写, 全书由黄建华拟定提纲并统稿。具体编写分工如下: 黄建华编写第1 章与第3 章的3. 1 ~ 3. 3,冯玉洁编写第3 章的3. 4~3. 5, 常艳霞编写第2 章, 李丹编写第4 章与第5 章, 张翼编写第6 章, 段文杰编写第7 章, 张要锋编写第8 章。

本书在编写过程中参阅了电气工程、光伏电站工程、光伏建筑一体化等方面专家学者的论文、专著、工程实践资料等, 在此向相关编者致以谢意。本书在编写过程中得到了江西新余矿业有限责任公司、浙江瑞亚能源科技有限公司的大力支持和帮助, 在此表示衷心感谢。

由于编者水平有限, 编写时间仓促, 书中难免存在疏漏和不足之处, 恳请读者批评指正。

编 者

2025 年4 月

第1 章  光伏发电系统概述 1
1. 1  光伏发电系统分类  1
  1. 1. 1  离网光伏发电系统的类型 2
  1. 1. 2  并网光伏发电系统的类型 3
1. 2  光伏发电系统基本组成  5
  1. 2. 1  离网光伏发电系统组成 5
  1. 2. 2  并网光伏发电系统组成 6
1. 3  太阳辐射及光资源计算  7
  1. 3. 1  太阳辐射基本常识 7
  1. 3. 2  影响光伏发电系统设计的天文参数  10
  1. 3. 3  光谱及光资源计算  13
拓展阅读  光伏发电———全球能源转型的清洁动力  17
思考与练习  18
第2 章  光伏发电单元与存储单元 19
2. 1  光伏组件  19
  2. 1. 1  光伏组件的类型  19
  2. 1. 2  光伏组件制作工艺  21
  2. 1. 3  光伏组件的性能参数和典型产品  23
2. 2  储能系统  26
  2. 2. 1  储能的必要性和定义  26
  2. 2. 2  常见储能的类型与性能  26
  2. 2. 3  蓄电池组容量设计  36
拓展阅读  锂的发现、 应用与未来发展  39
思考与练习  41
第3 章  光伏电站电力转换与控制系统  42
3. 1  充放电控制器  43
  3. 1. 1  充放电控制器的工作原理及功能  43
  3. 1. 2  充放电控制器的分类及特点  44
  3. 1. 3  充放电控制器的选型  52
3. 2  逆变器  56
  3. 2. 1  逆变器的工作原理  56
  3. 2. 2  离网逆变器  62
3. 2. 3  并网逆变器  64
3. 3  直流汇流箱与配电柜  74
  3. 3. 1  直流汇流箱  74
  3. 3. 2  直流配电柜  78
  3. 3. 3  交流配电柜  80
3. 4  变压器  83
  3. 4. 1  变压器的分类  83
  3. 4. 2  变压器选配和注意事项  85
3. 5  光伏电站监控系统  88
  3. 5. 1  光伏电站监控系统结构与布局  88
  3. 5. 2  光伏电站监控设备选型与配置  92
  3. 5. 3  自动监控系统辅助设备  96
3. 6  光伏电站继电保护  98
  3. 6. 1  继电保护概念  98
  3. 6. 2  光伏电站继电保护 100
  3. 6. 3  综合自动控制系统 104
拓展阅读  光伏电站电力转换与控制系统的技术创新与未来展望  107
思考与练习  108
第4 章  防雷技术  109
4. 1  雷电过电压防护  110
  4. 1. 1  发电站和变电站的直击雷防护 110
  4. 1. 2  发电站和变电站的雷电侵入波过电压保护 111
  4. 1. 3  配电系统的雷电过电压保护 116
4. 2  防雷保护装置  118
  4. 2. 1  避雷针的保护范围 118
  4. 2. 2  避雷线的保护范围 123
  4. 2. 3  避雷器的分类和选型 125
4. 3  电涌保护器  127
  4. 3. 1  电涌保护器的分类 128
  4. 3. 2  电涌保护器的试验类别及主要参数 129
  4. 3. 3  电涌保护器的选型 130
  4. 3. 4  电涌保护器的级间配合与安装接线 131
4. 4  光伏电站的防雷措施  133
  4. 4. 1  雷电对光伏发电系统的危害 133
  4. 4. 2  光伏电站防范直击雷措施 134
  4. 4. 3  光伏电站防范感应雷、 雷电波措施 137
拓展阅读  光伏发电系统防雷技术的创新与未来展望  138
思考与练习  139
第5 章  接地系统  140
5. 1  高压电气装置的接地  141
  5. 1. 1  高压系统中性点接地方式 141
  5. 1. 2  高压电气装置接地的一般规定 145
  5. 1. 3  高压电气装置保护接地的范围 145
  5. 1. 4  发电厂和变电站的接地网 146
5. 2  低压电气装置的接地  152
  5. 2. 1  低压系统的接地形式 152
  5. 2. 2  TT 方式供电系统  152
  5. 2. 3  TN 方式供电系统  153
  5. 2. 4  IT 方式供电系统  155
  5. 2. 5  低压电气装置的保护接地 156
  5. 2. 6  保护接地导体 (PE)  157
5. 3  等电位联结与接地装置  158
  5. 3. 1  等电位联结的作用与分类 158
  5. 3. 2  等电位联结与联结导体 159
  5. 3. 3  接地系统的分类与共用接地系统 160
  5. 3. 4  接地装置的种类与导体选择 162
  5. 3. 5  接地装置防腐措施 166
  5. 3. 6  接地导体的连接 167
5. 4  光伏电站接地系统典型案例  168
  5. 4. 1  大型地面光伏电站升压站接地系统 168
  5. 4. 2  地面电站光伏支架接地系统 170
  5. 4. 3  屋顶分布式电站光伏方阵等电位联结 171
拓展阅读  接地系统———保障多领域安全稳定  173
思考与练习  174
第6 章  电缆  175
6. 1  电力电缆导体材质  175
  6. 1. 1  导体材料 175
  6. 1. 2  导体性能 177
  6. 1. 3  导体规格 178
6. 2  电力电缆绝缘水平  178
  6. 2. 1  绝缘水平类型 178
  6. 2. 2  其他影响因素 180
6. 3  电力电缆绝缘类型与护层类型  180
  6. 3. 1  电力电缆绝缘类型 180
  6. 3. 2  电力电缆护层类型 182
6. 4  电力电缆芯数  185
  6. 4. 1  电力电缆线芯结构 185
  6. 4. 2  电力电缆芯数分类与选择 187
6. 5  电力电缆截面选取  188
  6. 5. 1  电力电缆截面选择原则 188
  6. 5. 2  光伏电站电缆选取 192
6. 6  控制电缆及其金属屏蔽  193
  6. 6. 1  控制电缆的结构及性能特征 193
  6. 6. 2  控制电缆的规格、 型号及敷设要求 194
  6. 6. 3  控制电缆的选用原则 195
  6. 6. 4  控制电缆金属屏蔽层 195
拓展阅读  光伏电站电缆发展趋势  198
思考与练习  199
第7 章  光伏电站选址与项目开发  200
7. 1  土地利用现状分类及光伏电站选址  200
  7. 1. 1  光伏电站站址用地 201
  7. 1. 2  地理地质与水文条件 207
  7. 1. 3  交通运输和电力输送条件 209
7. 2  光伏电站项目开发  210
  7. 2. 1  项目前期勘探 211
  7. 2. 2  项目备案申请 211
  7. 2. 3  项目设计与实施 213
拓展阅读  光伏在农业中的应用  214
思考与练习  215
第8 章  光伏发电系统设计  216
8. 1  离网光伏发电系统设计  216
  8. 1. 1  离网光伏路灯系统设计 216
  8. 1. 2  家用离网光伏发电系统设计 227
8. 2  并网光伏发电系统设计  231
 8. 2. 1 5 kW 户用光伏发电系统设计  231
 8. 2. 2 60 kW 地面光伏电站系统设计 236
 8. 2. 3 10 MW 大型地面光伏电站系统设计  251
拓展阅读  风光储一体———绿色能源与生态治理的典范  270
思考与练习  271
参考文献  272

黄建华，新余学院，湖南理工职业技术学院。张要锋，湖南理工职业技术学院。李丹，湖南铁道职业技术学院。段文杰，湖南理工职业技术学院

本书从光伏发电系统规划与设计岗位所需的知识、能力、素养要求出发, 详细介绍了离网与并网光伏发电系统的分类、结构与组成, 以及太阳辐射基本常识与光资源计算方法, 系统阐述了光伏发电单元、储能系统、电力转换设备、控制系统等关键设备的工作原理、类型选择与性能参数, 并从安全等角度着重讲解了防雷、接地、电缆等内容, 为光伏电站的防雷、接地、电缆等设计提供了全面指导。书中以光伏发电系统选址、项目开发、典型光伏发电系统设计案例贯穿全书, 将各知识点融会贯通。

本书每章后附有“拓展阅读” 和“思考与练习”, 帮助读者拓宽视野, 加深对相关知识的理解与应用。