基于氢储能的光伏发电系统研究

◎白天谊

引言：由于光伏发电系统在现代社会有着广泛的应用，可以进一步的解决能源短缺的问题，也可以为保护环境带来一定的帮助，所以对于光伏发电系统的研究也成为了工业界和理论界的热门内容。但因为光伏发电系统中仍然存在一些问题，最主要矛盾在于太阳能直接转化为电能会出现不稳定的现象，同时也会出现电能浪费的现象。在此基础上结合氢储能技术对光伏发电系统进行改造，能够给整个光伏发电系统应用带来更多的帮助，也能够推动着电网朝着更稳定的方向发展。

一、氢储能光伏发电系统概述

1.光伏发电系统概述。

（1）光伏发电系统的发展背景。在现代社会发展的过程中，人们之所以不断的重视光伏发电系统，其主要原因在于传统的能源是不可再生的，在短期内是无法满足人们的需求的。如果一味地继续使用天然气，石油，煤炭等资源，会给人类社会发展造成巨大的灾难。在这样的背景下，人们逐渐的重视到一些清洁能源的使用，如太阳能，风能等，充分地利用相关设备将清洁能源转化为人们可以直接利用的电能，以此来达到节约资源，保护地球的重要目的。在这样的背景条件下，光伏发电系统应运而生，有效地解决了人们资源短缺的实际问题。在具体的应用场合当中，光伏发电系统技术相对先进，硬件成本较低，可以发挥出更多的作用。但不可否认的是，在长期发展的过程中，光伏发电系统仍然面临着一系列的问题，可能因为自身的不稳定性以及能源利用效率不高等产生成本问题，有可能会给光伏发电系统的应用造成影响。因此在长期工作的过程中，还需对光伏发电系统的相关问题进行深入研究，提出具体的解决措施，确保其更好的应用。

（2）光伏发电系统的组成。在整个光伏发电系统当中，包括许多重要的设备，如继电保护装置，逆变器，光伏列阵。同时也包括一些功率保护装置，在使用的过程中，为了确保电流电压足够稳定，需要对光伏系统进行相应的调整，才能够确保其正常应用。另外在整个光伏系统当中，其核心硬件在于光伏列阵，能够转化太阳能，以此来获得稳定的电能，给人们的正常应用带来一定的帮助。但在实际应用过程中会发现，很多光伏电池具有一定的非线性特点，在具体应用的过程中可能受到某些因素的影响，导致其稳定性不够好。同时转化效率不够高，有可能无法满足电网的实际需求。而在具体运用的过程中，为了保证供电平衡，往往会增加一定的逆变器，通过有效的连接，可以给人们提供更加稳定的电流。另外在使用的过程中，为了有效的排除外界因素的影响，避免出现功率不稳定，不可控等实际问题，还需增加一些保护装置。虽然光伏系统本身的硬件成本比较低，但在此基础上增加相关的用电设备，同时进行具体的保护工作，也会带来了严重的成本问题。在后续发展的过程中，还需对其组成结构进行有效的调整，一方面是要降低成本，另外一方面是要提高太阳能的利用率，才能够保证光伏发电系统得到更为广泛的应用。

（3）光伏发电系统的作用。在分析光伏发电系统的发展背景以及基本组成的过程中了解到，光伏发电系统之所以得到了广泛的应用，其主要原因是能够替代传统的不可再生能源，使用清洁能源来发电，可以满足人们的需求，更能够降低成本，为整个社会的可持续发展做出一定的贡献。而在具体的应用当中，光伏发电系统的应用领域还是比较广泛的。如在家用电当中，光伏发电系统也是占有重要的地位的。而在工业用电中，在保证光伏发电系统稳定的基础上，能够持续性地进行供电，也可以满足大多数的场景的需求。而且近年来随着技术水平的不断提高，光伏发电系统的作用也逐渐凸显出来，能够不断的将清洁能源转化成人们所需要的电能，对于保护环境也是有着很重要的现实意义的，避免燃烧煤炭，石油等所产生的尾气，给整个社会的发展做出了一定的贡献。

2.氢储能技术概述。

（1）氢气储备与存储。所谓的氢储能技术，顾名思义，指的是将能量以氢气的形态储存起来，通过储存的方式能够避免能量损失，在各种场合应用的过程中也能够发挥出氢气的重要作用。既利用了清洁能源，同时也利用了氢气的稳定性特点，因此在应用的过程中具有一定的优越性。在目前的光伏发电系统当中，往往都通过氢储能的方法，利用电解水的原理进行氢气的制备，最终将氢气进行储存。通过专业设备进行保存，以此来达到储能的重要目的。相对于其他的储能技术而言，由于氢储能技术的成本比较低，在使用的过程中相对较为稳定，能够进一步的发挥出其优势，而且在整个光伏发电系统当中，氢储能的技术相对较为成熟，在应用的过程中给相关的领域带来了一定的帮助。在未来发展过程中，还需进一步的加强氢气的储备与存储，尤其是提高其转化效率，进一步的避免能量损失，能够给光伏发电系统的应用带来更好的帮助。

（2）燃料电池发电。氢气的储备和存储并不是为了保存氢气，而是通过这样的一种方式将能量进行转化，通过更稳定的方式进行储存，在后续应用的过程中，能够保证电能的使用呈现出连续性的特点，给光伏发电系统的应用带来一定的帮助。而在具体发电的过程中，主要使用的就是燃料电池发电的原理，是将能源转化成电能，在使用的过程中保证自身的可靠性。由于太阳能直接转化成电能并不可靠，而且容易出现不稳定性的问题。在一些工业场景当中，也可能出现能源短缺的现象。因此将氢气储备与存储结合燃料电池发电的相关原理，能够进一步的发挥出氢储能的技术优势。在后续发展的过程中，进一步的提高燃料电池的发电效率，保证其自身的稳定性，能够使得整个光伏发电系统发挥出更多的作用。

（3）氢储能技术的作用。从整个氢储能技术的角度进行分析，氢储能的作用无非是对能量进行一种储存，由于直接将太阳能转化成电能不够科学，也不能够对能源进行更好的储存。在很多场景当中，尤其是工业领域应用当中，是无法满足大多数要求的。因此人们逐渐的探索一种储能技术，希望保证自身的稳定性，同时也避免能源的浪费，在后续运用的过程中可以给整个光伏发电系统带来一定的帮助。因此利用氢气作为中转介质，将氢气进行储存，能够发挥出氢气稳定性的特点，同时也能够保证能源的储存更好，在后续转化的过程作用，效率也是比较高的，发挥出了氢储能技术的应用。在实际的工业场合当中，氢储能技术的有效性也得到证实，基于氢储能技术的光伏发电系统更是得到了广泛的应用。

二、氢储能的光伏发电系统对电网的影响

1.光伏发电系统在电网中的作用。

（1）电能质量。通过对氢储能的光伏发电系统进行研究，尤其是对光伏发电系统在电网上的作用进行研究，能够进一步的了解光伏发电系统的基本原理，也能够对其具体的应用场合进行探索。首先，整个光伏发电系统对于电网中电能质量影响还是比较大的，比如在正常运行的过程中，尤其是太阳能不足的条件下，阳光很短，会导致光伏发电系统的功率出现大幅度的下降，在使用的过程中可能会造成电力不足的问题。如人们在家用场合当中使用光伏发电系统，则可能导致日常使用的断电。而工业场合当中，由于光伏发电系统的功率不足，则可能出现闪边等现象，存在较大频率的波动，进而产生了严重的问题，影响了工业生产。另外在很多电网系统当中，由于大量的使用了逆变装置，可能造成谐波问题，这也体现出了目前光伏发电系统在应用的过程中可能存在的问题，使得电能质量出现一定影响。

（2）系统保护。通常来讲，在光伏发电系统使用的过程中，有赖于太阳能的强度，强度越强则代表着电流的转换效率，也更好在使用的过程中能够给人们带来更好的帮助。但不可否认的是，如果在太阳光极其强烈的情况下，也会对光伏发电系统造成严重的破坏。尤其是在功率增大的情况下，可能造成短路问题的发生，也可能影响熔断器的使用，对于光伏发电系统以及具体的应用场景而言，存在一定的安全威胁。另外，在整个系统保护装置中，还需重点注意方向保护装置的使用。在电网系统中，如果不存在光伏发电系统，则不需要安装保护装置，但在接入之后，则需要考虑到配电网络中的多元化问题，尤其是网络可能出现一定的随机性，需要安装方向保护装置，以此来保护光伏发电系统。

（3）线路潮流。所谓的线路潮流，往往指的是在整个电力系统运行的过程中，由于电源电势的作用，导致电流或者是功率呈现出随机性的特点。通过流入到各个元件，分布在整个电网系统当中。正是由于线路潮流的特点，再加之光伏发电系统在电网中的作用，往往使得功率呈现出一定的随机性，可能会影响到整个光伏发电系统的稳定性。在正常应用的过程中，不利于光伏发电系统降低成本，更不利于光伏发电系统给工业场景提供稳定的电能。在目前的技术条件下，线路潮流问题是不可避免的，也是光伏发电系统的固有性质。在后续应用的过程中，可以考虑从整个电网结构入手，对其元件分布以及其算法优化方面进行分析，有效的提高光伏发电系统的效率，确保线路潮流问题得到更好的解决。

2.氢储能技术在光伏发电系统中的应用。

（1）电力调峰。电力调峰是电网系统中的重要问题，可能会给工业生产以及家庭用电带来严重的限制，影响社会发展。在传统的火力发电中，由于技术相对较为成熟，能够解决大多数问题，电力调峰问题已经得到了有效的缓解，但在新能源时代发展的过程中，由于基于太阳能的光伏发电系统仍存在一定的限制，可能会使得光伏发电系统的使用领域出现不足。如天气问题导致的太阳能不足，在能量转化时无法满足要求，在电力需求较大时可能导致电网系统出现问题，影响工业发展。不仅如此，一些发达城市的居民较多，工业用电需求也比较大，单纯的依靠太阳能直接转化的光伏发电系统是无法直接供电。因此在实际应用的过程中，基于氢储能的光伏发电系统能够更好的克服电力调峰的相关问题，采用能量转换的方式，利用氢气来储存能源，在使用的过程中可以进行较好的分配，保证电网系统的稳定性。而且现阶段利用氢气进行能源储存的技术水平相对较高，基本可以满足需求。在未来发展的过程中，还需进一步的提高能量转换效率，减少损失，保证光伏发电系统得到更好的应用。

（2）微电网。微电网系统是目前的主流发展趋势，主要在于微电网的技术水平较高，性能较好，在使用的过程中符合分布式的特点，既能够满足用电需求，同时也便于维护调节等工作的开展，因此微电网技术得到了人们的广泛认可。而在微电网系统当中，不仅常见的变压器，逆变装置等成为其重要组成部分，为了更好的促进新能源的使用，光伏发电系统也成为其重要组成部分，尤其是基于氢储能的光伏发电系统，由于其自身比较稳定，在长期的发展过程中，更能够增强太阳能的转化效率，更是成为了现代社会微电网中的热门技术。在未来发展的过程中，应当进一步的提高氢储能的效率，尤其是在用电高峰期间，还需要更好的配合微电网分布式发电系统的特点，充分的发挥出结构的优势。在未来的设计过程中，重点研究内容应是发挥出地区特色，在一些较为适合太阳能应用的地区，大力发展基于氢储能的光伏发电系统，将其应用在微电网结构中，满足各地区的应用需求。而在一些能源较为短缺的地区，也可以配合传统发电方式来开展光伏发电系统的建设，尤其是在氢储能技术使用的过程中，更是减少了不必要的能源损失，符合现代社会的发展趋势。

三、基于氢储能光伏发电系统的控制策略

1.目标函数。

在进行算法优化的过程中，通常来讲需要将所有计算内容整合成相应的数学公式，通过数学表达式的方法进行计算可以提高其效率，在整个系统设计的过程中也会更加科学。基于氢储能的光伏发电系统往往需要进行科学的控制方法，将相关的指标纳入到整个系统当中，对其进行参数调节，以此来达到最优状态，保证光伏发电系统的稳定性。无论是在降低成本还是提高效率等方面，都能够发挥出算法的优势。为了进行算法优化工作，首先需要进行目标函数的设计，将光伏发电系统中的相关数据，如效率，功率，温度以及转化条件，通过合理的数学符号进行表达，纳入到整个的目标函数当中。通过对目标函数进行计算，能够达到最优的状态，得到更好的结果，在光伏发电系统调节的过程中，得到更加合理的数据。在目标函数设计的过程中，往往需要通过模拟仿真软件，通过电子计算机进行计算，需要结合光伏发电系统的实际问题，尽可能的模拟真实场景，以此来达到优化的目的。

2.约束性条件。

在整个氢储能的光伏发电系统当中，还存在若干约束条件。一般来讲，约束条件比较复杂，会给整个系统的使用造成严重的影响，充分地对其约束条件进行分析，将其纳入调整这个优化函数当中对其进行计算，能够在限制条件下进行参数的调节，以此来保证光伏发电系统的有效应用。首先是系统供电的可靠性约束，需要对其内部的功率负载等进行计算，在无法满足要求的情况下，要及时的释放自身的电能，以此来保证电能的稳定供应。另外在整个系统设计的过程中，需要确保系统合理性的约束，如体积的限制，性能极限的限制以及在应用的过程中一些外界条件的约束，都需进行有效的考虑。避免出现不合理的问题，能够保证光伏发电系统得到更加合理进行应用。

3.优化算法。

在进行氢储能光伏发电系统控制的过程中，通常需要选择合理的优化算法，才能够得到最终的优化结果，在进行参数设计的过程中才会更加合理。目前来看，优化算法包括粒子群算法，蚁群算法以及预测控制算法，以上都是目前比较常见的一些优化算法。在使用的过程中，有些算法的复杂程度比较高，但精确度比较高，还有一些算法比较简单，参数容易调节，但精度不够高。在整个光伏发电系统进行使用过程中，需要根据具体的应用场景以及实际需求选择合适的优化算法，确保自身的控制策略更加合理。而且目前理论界的优化算法相对较为成熟，但是在应用过程中却存在落地困难的问题，还需进行更多实验，保证更多优秀的算法得到良好的应用。

四、结束语

综上所述，在现阶段发展的过程中，光伏发电系统给人们的正常应用带来了很多的帮助。一方面是减少了不可再生能源的使用，促进了可持续的发展，另外一方面光伏发电系统的性能比较好，在相应的应用场合当中也发挥出了一定的作用。同时结合氢储能的技术，能够保证光伏发电系统发挥出更多的作用。在未来发展的过程中，仍需对氢储能的光伏发电系统对电网的相关影响进行分析，尤其是电能质量，系统保护以及电力调峰等问题进行重点分析，针对性地提出优化和控制策略，能够保证光伏发电系统发挥出更多的作用，给人类的社会发展做出一定的贡献。