基于氫儲能的光伏發電系統研究

◎白天誼

引言：由于光伏發電系統在現代社會有著廣泛的應用，可以進一步的解決能源短缺的問題，也可以為保護環境帶來一定的幫助，所以對于光伏發電系統的研究也成為了工業界和理論界的熱門內容。但因為光伏發電系統中仍然存在一些問題，最主要矛盾在于太陽能直接轉化為電能會出現不穩定的現象，同時也會出現電能浪費的現象。在此基礎上結合氫儲能技術對光伏發電系統進行改造，能夠給整個光伏發電系統應用帶來更多的幫助，也能夠推動著電網朝著更穩定的方向發展。

一、氫儲能光伏發電系統概述

1.光伏發電系統概述。

（1）光伏發電系統的發展背景。在現代社會發展的過程中，人們之所以不斷的重視光伏發電系統，其主要原因在于傳統的能源是不可再生的，在短期內是無法滿足人們的需求的。如果一味地繼續使用天然氣，石油，煤炭等資源，會給人類社會發展造成巨大的災難。在這樣的背景下，人們逐漸的重視到一些清潔能源的使用，如太陽能，風能等，充分地利用相關設備將清潔能源轉化為人們可以直接利用的電能，以此來達到節約資源，保護地球的重要目的。在這樣的背景條件下，光伏發電系統應運而生，有效地解決了人們資源短缺的實際問題。在具體的應用場合當中，光伏發電系統技術相對先進，硬件成本較低，可以發揮出更多的作用。但不可否認的是，在長期發展的過程中，光伏發電系統仍然面臨著一系列的問題，可能因為自身的不穩定性以及能源利用效率不高等產生成本問題，有可能會給光伏發電系統的應用造成影響。因此在長期工作的過程中，還需對光伏發電系統的相關問題進行深入研究，提出具體的解決措施，確保其更好的應用。

（2）光伏發電系統的組成。在整個光伏發電系統當中，包括許多重要的設備，如繼電保護裝置，逆變器，光伏列陣。同時也包括一些功率保護裝置，在使用的過程中，為了確保電流電壓足夠穩定，需要對光伏系統進行相應的調整，才能夠確保其正常應用。另外在整個光伏系統當中，其核心硬件在于光伏列陣，能夠轉化太陽能，以此來獲得穩定的電能，給人們的正常應用帶來一定的幫助。但在實際應用過程中會發現，很多光伏電池具有一定的非線性特點，在具體應用的過程中可能受到某些因素的影響，導致其穩定性不夠好。同時轉化效率不夠高，有可能無法滿足電網的實際需求。而在具體運用的過程中，為了保證供電平衡，往往會增加一定的逆變器，通過有效的連接，可以給人們提供更加穩定的電流。另外在使用的過程中，為了有效的排除外界因素的影響，避免出現功率不穩定，不可控等實際問題，還需增加一些保護裝置。雖然光伏系統本身的硬件成本比較低，但在此基礎上增加相關的用電設備，同時進行具體的保護工作，也會帶來了嚴重的成本問題。在后續發展的過程中，還需對其組成結構進行有效的調整，一方面是要降低成本，另外一方面是要提高太陽能的利用率，才能夠保證光伏發電系統得到更為廣泛的應用。

（3）光伏發電系統的作用。在分析光伏發電系統的發展背景以及基本組成的過程中了解到，光伏發電系統之所以得到了廣泛的應用，其主要原因是能夠替代傳統的不可再生能源，使用清潔能源來發電，可以滿足人們的需求，更能夠降低成本，為整個社會的可持續發展做出一定的貢獻。而在具體的應用當中，光伏發電系統的應用領域還是比較廣泛的。如在家用電當中，光伏發電系統也是占有重要的地位的。而在工業用電中，在保證光伏發電系統穩定的基礎上，能夠持續性地進行供電，也可以滿足大多數的場景的需求。而且近年來隨著技術水平的不斷提高，光伏發電系統的作用也逐漸凸顯出來，能夠不斷的將清潔能源轉化成人們所需要的電能，對于保護環境也是有著很重要的現實意義的，避免燃燒煤炭，石油等所產生的尾氣，給整個社會的發展做出了一定的貢獻。

2.氫儲能技術概述。

（1）氫氣儲備與存儲。所謂的氫儲能技術，顧名思義，指的是將能量以氫氣的形態儲存起來，通過儲存的方式能夠避免能量損失，在各種場合應用的過程中也能夠發揮出氫氣的重要作用。既利用了清潔能源，同時也利用了氫氣的穩定性特點，因此在應用的過程中具有一定的優越性。在目前的光伏發電系統當中，往往都通過氫儲能的方法，利用電解水的原理進行氫氣的制備，最終將氫氣進行儲存。通過專業設備進行保存，以此來達到儲能的重要目的。相對于其他的儲能技術而言，由于氫儲能技術的成本比較低，在使用的過程中相對較為穩定，能夠進一步的發揮出其優勢，而且在整個光伏發電系統當中，氫儲能的技術相對較為成熟，在應用的過程中給相關的領域帶來了一定的幫助。在未來發展過程中，還需進一步的加強氫氣的儲備與存儲，尤其是提高其轉化效率，進一步的避免能量損失，能夠給光伏發電系統的應用帶來更好的幫助。

（2）燃料電池發電。氫氣的儲備和存儲并不是為了保存氫氣，而是通過這樣的一種方式將能量進行轉化，通過更穩定的方式進行儲存，在后續應用的過程中，能夠保證電能的使用呈現出連續性的特點，給光伏發電系統的應用帶來一定的幫助。而在具體發電的過程中，主要使用的就是燃料電池發電的原理，是將能源轉化成電能，在使用的過程中保證自身的可靠性。由于太陽能直接轉化成電能并不可靠，而且容易出現不穩定性的問題。在一些工業場景當中，也可能出現能源短缺的現象。因此將氫氣儲備與存儲結合燃料電池發電的相關原理，能夠進一步的發揮出氫儲能的技術優勢。在后續發展的過程中，進一步的提高燃料電池的發電效率，保證其自身的穩定性，能夠使得整個光伏發電系統發揮出更多的作用。

（3）氫儲能技術的作用。從整個氫儲能技術的角度進行分析，氫儲能的作用無非是對能量進行一種儲存，由于直接將太陽能轉化成電能不夠科學，也不能夠對能源進行更好的儲存。在很多場景當中，尤其是工業領域應用當中，是無法滿足大多數要求的。因此人們逐漸的探索一種儲能技術，希望保證自身的穩定性，同時也避免能源的浪費，在后續運用的過程中可以給整個光伏發電系統帶來一定的幫助。因此利用氫氣作為中轉介質，將氫氣進行儲存，能夠發揮出氫氣穩定性的特點，同時也能夠保證能源的儲存更好，在后續轉化的過程作用，效率也是比較高的，發揮出了氫儲能技術的應用。在實際的工業場合當中，氫儲能技術的有效性也得到證實，基于氫儲能技術的光伏發電系統更是得到了廣泛的應用。

二、氫儲能的光伏發電系統對電網的影響

1.光伏發電系統在電網中的作用。

（1）電能質量。通過對氫儲能的光伏發電系統進行研究，尤其是對光伏發電系統在電網上的作用進行研究，能夠進一步的了解光伏發電系統的基本原理，也能夠對其具體的應用場合進行探索。首先，整個光伏發電系統對于電網中電能質量影響還是比較大的，比如在正常運行的過程中，尤其是太陽能不足的條件下，陽光很短，會導致光伏發電系統的功率出現大幅度的下降，在使用的過程中可能會造成電力不足的問題。如人們在家用場合當中使用光伏發電系統，則可能導致日常使用的斷電。而工業場合當中，由于光伏發電系統的功率不足，則可能出現閃邊等現象，存在較大頻率的波動，進而產生了嚴重的問題，影響了工業生產。另外在很多電網系統當中，由于大量的使用了逆變裝置，可能造成諧波問題，這也體現出了目前光伏發電系統在應用的過程中可能存在的問題，使得電能質量出現一定影響。

（2）系統保護。通常來講，在光伏發電系統使用的過程中，有賴于太陽能的強度，強度越強則代表著電流的轉換效率，也更好在使用的過程中能夠給人們帶來更好的幫助。但不可否認的是，如果在太陽光極其強烈的情況下，也會對光伏發電系統造成嚴重的破壞。尤其是在功率增大的情況下，可能造成短路問題的發生，也可能影響熔斷器的使用，對于光伏發電系統以及具體的應用場景而言，存在一定的安全威脅。另外，在整個系統保護裝置中，還需重點注意方向保護裝置的使用。在電網系統中，如果不存在光伏發電系統，則不需要安裝保護裝置，但在接入之后，則需要考慮到配電網絡中的多元化問題，尤其是網絡可能出現一定的隨機性，需要安裝方向保護裝置，以此來保護光伏發電系統。

（3）線路潮流。所謂的線路潮流，往往指的是在整個電力系統運行的過程中，由于電源電勢的作用，導致電流或者是功率呈現出隨機性的特點。通過流入到各個元件，分布在整個電網系統當中。正是由于線路潮流的特點，再加之光伏發電系統在電網中的作用，往往使得功率呈現出一定的隨機性，可能會影響到整個光伏發電系統的穩定性。在正常應用的過程中，不利于光伏發電系統降低成本，更不利于光伏發電系統給工業場景提供穩定的電能。在目前的技術條件下，線路潮流問題是不可避免的，也是光伏發電系統的固有性質。在后續應用的過程中，可以考慮從整個電網結構入手，對其元件分布以及其算法優化方面進行分析，有效的提高光伏發電系統的效率，確保線路潮流問題得到更好的解決。

2.氫儲能技術在光伏發電系統中的應用。

（1）電力調峰。電力調峰是電網系統中的重要問題，可能會給工業生產以及家庭用電帶來嚴重的限制，影響社會發展。在傳統的火力發電中，由于技術相對較為成熟，能夠解決大多數問題，電力調峰問題已經得到了有效的緩解，但在新能源時代發展的過程中，由于基于太陽能的光伏發電系統仍存在一定的限制，可能會使得光伏發電系統的使用領域出現不足。如天氣問題導致的太陽能不足，在能量轉化時無法滿足要求，在電力需求較大時可能導致電網系統出現問題，影響工業發展。不僅如此，一些發達城市的居民較多，工業用電需求也比較大，單純的依靠太陽能直接轉化的光伏發電系統是無法直接供電。因此在實際應用的過程中，基于氫儲能的光伏發電系統能夠更好的克服電力調峰的相關問題，采用能量轉換的方式，利用氫氣來儲存能源，在使用的過程中可以進行較好的分配，保證電網系統的穩定性。而且現階段利用氫氣進行能源儲存的技術水平相對較高，基本可以滿足需求。在未來發展的過程中，還需進一步的提高能量轉換效率，減少損失，保證光伏發電系統得到更好的應用。

（2）微電網。微電網系統是目前的主流發展趨勢，主要在于微電網的技術水平較高，性能較好，在使用的過程中符合分布式的特點，既能夠滿足用電需求，同時也便于維護調節等工作的開展，因此微電網技術得到了人們的廣泛認可。而在微電網系統當中，不僅常見的變壓器，逆變裝置等成為其重要組成部分，為了更好的促進新能源的使用，光伏發電系統也成為其重要組成部分，尤其是基于氫儲能的光伏發電系統，由于其自身比較穩定，在長期的發展過程中，更能夠增強太陽能的轉化效率，更是成為了現代社會微電網中的熱門技術。在未來發展的過程中，應當進一步的提高氫儲能的效率，尤其是在用電高峰期間，還需要更好的配合微電網分布式發電系統的特點，充分的發揮出結構的優勢。在未來的設計過程中，重點研究內容應是發揮出地區特色，在一些較為適合太陽能應用的地區，大力發展基于氫儲能的光伏發電系統，將其應用在微電網結構中，滿足各地區的應用需求。而在一些能源較為短缺的地區，也可以配合傳統發電方式來開展光伏發電系統的建設，尤其是在氫儲能技術使用的過程中，更是減少了不必要的能源損失，符合現代社會的發展趨勢。

三、基于氫儲能光伏發電系統的控制策略

1.目標函數。

在進行算法優化的過程中，通常來講需要將所有計算內容整合成相應的數學公式，通過數學表達式的方法進行計算可以提高其效率，在整個系統設計的過程中也會更加科學。基于氫儲能的光伏發電系統往往需要進行科學的控制方法，將相關的指標納入到整個系統當中，對其進行參數調節，以此來達到最優狀態，保證光伏發電系統的穩定性。無論是在降低成本還是提高效率等方面，都能夠發揮出算法的優勢。為了進行算法優化工作，首先需要進行目標函數的設計，將光伏發電系統中的相關數據，如效率，功率，溫度以及轉化條件，通過合理的數學符號進行表達，納入到整個的目標函數當中。通過對目標函數進行計算，能夠達到最優的狀態，得到更好的結果，在光伏發電系統調節的過程中，得到更加合理的數據。在目標函數設計的過程中，往往需要通過模擬仿真軟件，通過電子計算機進行計算，需要結合光伏發電系統的實際問題，盡可能的模擬真實場景，以此來達到優化的目的。

2.約束性條件。

在整個氫儲能的光伏發電系統當中，還存在若干約束條件。一般來講，約束條件比較復雜，會給整個系統的使用造成嚴重的影響，充分地對其約束條件進行分析，將其納入調整這個優化函數當中對其進行計算，能夠在限制條件下進行參數的調節，以此來保證光伏發電系統的有效應用。首先是系統供電的可靠性約束，需要對其內部的功率負載等進行計算，在無法滿足要求的情況下，要及時的釋放自身的電能，以此來保證電能的穩定供應。另外在整個系統設計的過程中，需要確保系統合理性的約束，如體積的限制，性能極限的限制以及在應用的過程中一些外界條件的約束，都需進行有效的考慮。避免出現不合理的問題，能夠保證光伏發電系統得到更加合理進行應用。

3.優化算法。

在進行氫儲能光伏發電系統控制的過程中，通常需要選擇合理的優化算法，才能夠得到最終的優化結果，在進行參數設計的過程中才會更加合理。目前來看，優化算法包括粒子群算法，蟻群算法以及預測控制算法，以上都是目前比較常見的一些優化算法。在使用的過程中，有些算法的復雜程度比較高，但精確度比較高，還有一些算法比較簡單，參數容易調節，但精度不夠高。在整個光伏發電系統進行使用過程中，需要根據具體的應用場景以及實際需求選擇合適的優化算法，確保自身的控制策略更加合理。而且目前理論界的優化算法相對較為成熟，但是在應用過程中卻存在落地困難的問題，還需進行更多實驗，保證更多優秀的算法得到良好的應用。

四、結束語

綜上所述，在現階段發展的過程中，光伏發電系統給人們的正常應用帶來了很多的幫助。一方面是減少了不可再生能源的使用，促進了可持續的發展，另外一方面光伏發電系統的性能比較好，在相應的應用場合當中也發揮出了一定的作用。同時結合氫儲能的技術，能夠保證光伏發電系統發揮出更多的作用。在未來發展的過程中，仍需對氫儲能的光伏發電系統對電網的相關影響進行分析，尤其是電能質量，系統保護以及電力調峰等問題進行重點分析，針對性地提出優化和控制策略，能夠保證光伏發電系統發揮出更多的作用，給人類的社會發展做出一定的貢獻。