基于氫儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)研究

◎白天誼

引言：由于光伏發(fā)電系統(tǒng)在現(xiàn)代社會有著廣泛的應(yīng)用，可以進(jìn)一步的解決能源短缺的問題，也可以為保護(hù)環(huán)境帶來一定的幫助，所以對于光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究也成為了工業(yè)界和理論界的熱門內(nèi)容。但因?yàn)楣夥l(fā)電系統(tǒng)中仍然存在一些問題，最主要矛盾在于太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能會出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，同時也會出現(xiàn)電能浪費(fèi)的現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上結(jié)合氫儲能技術(shù)對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行改造，能夠給整個光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用帶來更多的幫助，也能夠推動著電網(wǎng)朝著更穩(wěn)定的方向發(fā)展。

一、氫儲能光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

1.光伏發(fā)電系統(tǒng)概述。

（1）光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展背景。在現(xiàn)代社會發(fā)展的過程中，人們之所以不斷的重視光伏發(fā)電系統(tǒng)，其主要原因在于傳統(tǒng)的能源是不可再生的，在短期內(nèi)是無法滿足人們的需求的。如果一味地繼續(xù)使用天然氣，石油，煤炭等資源，會給人類社會發(fā)展造成巨大的災(zāi)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(fēng)能等，充分地利用相關(guān)設(shè)備將清潔能源轉(zhuǎn)化為人們可以直接利用的電能，以此來達(dá)到節(jié)約資源，保護(hù)地球的重要目的。在這樣的背景條件下，光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，有效地解決了人們資源短缺的實(shí)際問題。在具體的應(yīng)用場合當(dāng)中，光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)相對先進(jìn)，硬件成本較低，可以發(fā)揮出更多的作用。但不可否認(rèn)的是，在長期發(fā)展的過程中，光伏發(fā)電系統(tǒng)仍然面臨著一系列的問題，可能因?yàn)樽陨淼牟环€(wěn)定性以及能源利用效率不高等產(chǎn)生成本問題，有可能會給光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用造成影響。因此在長期工作的過程中，還需對光伏發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)問題進(jìn)行深入研究，提出具體的解決措施，確保其更好的應(yīng)用。

（2）光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成。在整個光伏發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，包括許多重要的設(shè)備，如繼電保護(hù)裝置，逆變器，光伏列陣。同時也包括一些功率保護(hù)裝置，在使用的過程中，為了確保電流電壓足夠穩(wěn)定，需要對光伏系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，才能夠確保其正常應(yīng)用。另外在整個光伏系統(tǒng)當(dāng)中，其核心硬件在于光伏列陣，能夠轉(zhuǎn)化太陽能，以此來獲得穩(wěn)定的電能，給人們的正常應(yīng)用帶來一定的幫助。但在實(shí)際應(yīng)用過程中會發(fā)現(xiàn)，很多光伏電池具有一定的非線性特點(diǎn)，在具體應(yīng)用的過程中可能受到某些因素的影響，導(dǎo)致其穩(wěn)定性不夠好。同時轉(zhuǎn)化效率不夠高，有可能無法滿足電網(wǎng)的實(shí)際需求。而在具體運(yùn)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(wěn)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(xiàn)功率不穩(wěn)定，不可控等實(shí)際問題，還需增加一些保護(hù)裝置。雖然光伏系統(tǒng)本身的硬件成本比較低，但在此基礎(chǔ)上增加相關(guān)的用電設(shè)備，同時進(jìn)行具體的保護(hù)工作，也會帶來了嚴(yán)重的成本問題。在后續(xù)發(fā)展的過程中，還需對其組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的調(diào)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(fā)電系統(tǒng)得到更為廣泛的應(yīng)用。

（3）光伏發(fā)電系統(tǒng)的作用。在分析光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展背景以及基本組成的過程中了解到，光伏發(fā)電系統(tǒng)之所以得到了廣泛的應(yīng)用，其主要原因是能夠替代傳統(tǒng)的不可再生能源，使用清潔能源來發(fā)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(xù)發(fā)展做出一定的貢獻(xiàn)。而在具體的應(yīng)用當(dāng)中，光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域還是比較廣泛的。如在家用電當(dāng)中，光伏發(fā)電系統(tǒng)也是占有重要的地位的。而在工業(yè)用電中，在保證光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，能夠持續(xù)性地進(jìn)行供電，也可以滿足大多數(shù)的場景的需求。而且近年來隨著技術(shù)水平的不斷提高，光伏發(fā)電系統(tǒng)的作用也逐漸凸顯出來，能夠不斷的將清潔能源轉(zhuǎn)化成人們所需要的電能，對于保護(hù)環(huán)境也是有著很重要的現(xiàn)實(shí)意義的，避免燃燒煤炭，石油等所產(chǎn)生的尾氣，給整個社會的發(fā)展做出了一定的貢獻(xiàn)。

2.氫儲能技術(shù)概述。

（1）氫氣儲備與存儲。所謂的氫儲能技術(shù)，顧名思義，指的是將能量以氫氣的形態(tài)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(yīng)用的過程中也能夠發(fā)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(wěn)定性特點(diǎn)，因此在應(yīng)用的過程中具有一定的優(yōu)越性。在目前的光伏發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，往往都通過氫儲能的方法，利用電解水的原理進(jìn)行氫氣的制備，最終將氫氣進(jìn)行儲存。通過專業(yè)設(shè)備進(jìn)行保存，以此來達(dá)到儲能的重要目的。相對于其他的儲能技術(shù)而言，由于氫儲能技術(shù)的成本比較低，在使用的過程中相對較為穩(wěn)定，能夠進(jìn)一步的發(fā)揮出其優(yōu)勢，而且在整個光伏發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，氫儲能的技術(shù)相對較為成熟，在應(yīng)用的過程中給相關(guān)的領(lǐng)域帶來了一定的幫助。在未來發(fā)展過程中，還需進(jìn)一步的加強(qiáng)氫氣的儲備與存儲，尤其是提高其轉(zhuǎn)化效率，進(jìn)一步的避免能量損失，能夠給光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用帶來更好的幫助。

（2）燃料電池發(fā)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(jìn)行轉(zhuǎn)化，通過更穩(wěn)定的方式進(jìn)行儲存，在后續(xù)應(yīng)用的過程中，能夠保證電能的使用呈現(xiàn)出連續(xù)性的特點(diǎn)，給光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用帶來一定的幫助。而在具體發(fā)電的過程中，主要使用的就是燃料電池發(fā)電的原理，是將能源轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化成電能并不可靠，而且容易出現(xiàn)不穩(wěn)定性的問題。在一些工業(yè)場景當(dāng)中，也可能出現(xiàn)能源短缺的現(xiàn)象。因此將氫氣儲備與存儲結(jié)合燃料電池發(fā)電的相關(guān)原理，能夠進(jìn)一步的發(fā)揮出氫儲能的技術(shù)優(yōu)勢。在后續(xù)發(fā)展的過程中，進(jìn)一步的提高燃料電池的發(fā)電效率，保證其自身的穩(wěn)定性，能夠使得整個光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)揮出更多的作用。

（3）氫儲能技術(shù)的作用。從整個氫儲能技術(shù)的角度進(jìn)行分析，氫儲能的作用無非是對能量進(jìn)行一種儲存，由于直接將太陽能轉(zhuǎn)化成電能不夠科學(xué)，也不能夠?qū)δ茉催M(jìn)行更好的儲存。在很多場景當(dāng)中，尤其是工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用當(dāng)中，是無法滿足大多數(shù)要求的。因此人們逐漸的探索一種儲能技術(shù)，希望保證自身的穩(wěn)定性，同時也避免能源的浪費(fèi)，在后續(xù)運(yùn)用的過程中可以給整個光伏發(fā)電系統(tǒng)帶來一定的幫助。因此利用氫氣作為中轉(zhuǎn)介質(zhì)，將氫氣進(jìn)行儲存，能夠發(fā)揮出氫氣穩(wěn)定性的特點(diǎn)，同時也能夠保證能源的儲存更好，在后續(xù)轉(zhuǎn)化的過程作用，效率也是比較高的，發(fā)揮出了氫儲能技術(shù)的應(yīng)用。在實(shí)際的工業(yè)場合當(dāng)中，氫儲能技術(shù)的有效性也得到證實(shí)，基于氫儲能技術(shù)的光伏發(fā)電系統(tǒng)更是得到了廣泛的應(yīng)用。

二、氫儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響

1.光伏發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)中的作用。

（1）電能質(zhì)量。通過對氫儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究，尤其是對光伏發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)上的作用進(jìn)行研究，能夠進(jìn)一步的了解光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本原理，也能夠?qū)ζ渚唧w的應(yīng)用場合進(jìn)行探索。首先，整個光伏發(fā)電系統(tǒng)對于電網(wǎng)中電能質(zhì)量影響還是比較大的，比如在正常運(yùn)行的過程中，尤其是太陽能不足的條件下，陽光很短，會導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率出現(xiàn)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(dāng)中使用光伏發(fā)電系統(tǒng)，則可能導(dǎo)致日常使用的斷電。而工業(yè)場合當(dāng)中，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率不足，則可能出現(xiàn)閃邊等現(xiàn)象，存在較大頻率的波動，進(jìn)而產(chǎn)生了嚴(yán)重的問題，影響了工業(yè)生產(chǎn)。另外在很多電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)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(xiàn)出了目前光伏發(fā)電系統(tǒng)在應(yīng)用的過程中可能存在的問題，使得電能質(zhì)量出現(xiàn)一定影響。

（2）系統(tǒng)保護(hù)。通常來講，在光伏發(fā)電系統(tǒng)使用的過程中，有賴于太陽能的強(qiáng)度，強(qiáng)度越強(qiáng)則代表著電流的轉(zhuǎn)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(rèn)的是，如果在太陽光極其強(qiáng)烈的情況下，也會對光伏發(fā)電系統(tǒng)造成嚴(yán)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(fā)生，也可能影響熔斷器的使用，對于光伏發(fā)電系統(tǒng)以及具體的應(yīng)用場景而言，存在一定的安全威脅。另外，在整個系統(tǒng)保護(hù)裝置中，還需重點(diǎn)注意方向保護(hù)裝置的使用。在電網(wǎng)系統(tǒng)中，如果不存在光伏發(fā)電系統(tǒng)，則不需要安裝保護(hù)裝置，但在接入之后，則需要考慮到配電網(wǎng)絡(luò)中的多元化問題，尤其是網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)一定的隨機(jī)性，需要安裝方向保護(hù)裝置，以此來保護(hù)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

（3）線路潮流。所謂的線路潮流，往往指的是在整個電力系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，由于電源電勢的作用，導(dǎo)致電流或者是功率呈現(xiàn)出隨機(jī)性的特點(diǎn)。通過流入到各個元件，分布在整個電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中。正是由于線路潮流的特點(diǎn)，再加之光伏發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)中的作用，往往使得功率呈現(xiàn)出一定的隨機(jī)性，可能會影響到整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在正常應(yīng)用的過程中，不利于光伏發(fā)電系統(tǒng)降低成本，更不利于光伏發(fā)電系統(tǒng)給工業(yè)場景提供穩(wěn)定的電能。在目前的技術(shù)條件下，線路潮流問題是不可避免的，也是光伏發(fā)電系統(tǒng)的固有性質(zhì)。在后續(xù)應(yīng)用的過程中，可以考慮從整個電網(wǎng)結(jié)構(gòu)入手，對其元件分布以及其算法優(yōu)化方面進(jìn)行分析，有效的提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，確保線路潮流問題得到更好的解決。

2.氫儲能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用。

（1）電力調(diào)峰。電力調(diào)峰是電網(wǎng)系統(tǒng)中的重要問題，可能會給工業(yè)生產(chǎn)以及家庭用電帶來嚴(yán)重的限制，影響社會發(fā)展。在傳統(tǒng)的火力發(fā)電中，由于技術(shù)相對較為成熟，能夠解決大多數(shù)問題，電力調(diào)峰問題已經(jīng)得到了有效的緩解，但在新能源時代發(fā)展的過程中，由于基于太陽能的光伏發(fā)電系統(tǒng)仍存在一定的限制，可能會使得光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用領(lǐng)域出現(xiàn)不足。如天氣問題導(dǎo)致的太陽能不足，在能量轉(zhuǎn)化時無法滿足要求，在電力需求較大時可能導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題，影響工業(yè)發(fā)展。不僅如此，一些發(fā)達(dá)城市的居民較多，工業(yè)用電需求也比較大，單純的依靠太陽能直接轉(zhuǎn)化的光伏發(fā)電系統(tǒng)是無法直接供電。因此在實(shí)際應(yīng)用的過程中，基于氫儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠更好的克服電力調(diào)峰的相關(guān)問題，采用能量轉(zhuǎn)換的方式，利用氫氣來儲存能源，在使用的過程中可以進(jìn)行較好的分配，保證電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而且現(xiàn)階段利用氫氣進(jìn)行能源儲存的技術(shù)水平相對較高，基本可以滿足需求。在未來發(fā)展的過程中，還需進(jìn)一步的提高能量轉(zhuǎn)換效率，減少損失，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)得到更好的應(yīng)用。

（2）微電網(wǎng)。微電網(wǎng)系統(tǒng)是目前的主流發(fā)展趨勢，主要在于微電網(wǎng)的技術(shù)水平較高，性能較好，在使用的過程中符合分布式的特點(diǎn)，既能夠滿足用電需求，同時也便于維護(hù)調(diào)節(jié)等工作的開展，因此微電網(wǎng)技術(shù)得到了人們的廣泛認(rèn)可。而在微電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)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(jìn)新能源的使用，光伏發(fā)電系統(tǒng)也成為其重要組成部分，尤其是基于氫儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于其自身比較穩(wěn)定，在長期的發(fā)展過程中，更能夠增強(qiáng)太陽能的轉(zhuǎn)化效率，更是成為了現(xiàn)代社會微電網(wǎng)中的熱門技術(shù)。在未來發(fā)展的過程中，應(yīng)當(dāng)進(jìn)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(wǎng)分布式發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，充分的發(fā)揮出結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。在未來的設(shè)計(jì)過程中，重點(diǎn)研究內(nèi)容應(yīng)是發(fā)揮出地區(qū)特色，在一些較為適合太陽能應(yīng)用的地區(qū)，大力發(fā)展基于氫儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)，將其應(yīng)用在微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，滿足各地區(qū)的應(yīng)用需求。而在一些能源較為短缺的地區(qū)，也可以配合傳統(tǒng)發(fā)電方式來開展光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)，尤其是在氫儲能技術(shù)使用的過程中，更是減少了不必要的能源損失，符合現(xiàn)代社會的發(fā)展趨勢。

三、基于氫儲能光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略

1.目標(biāo)函數(shù)。

在進(jìn)行算法優(yōu)化的過程中，通常來講需要將所有計(jì)算內(nèi)容整合成相應(yīng)的數(shù)學(xué)公式，通過數(shù)學(xué)表達(dá)式的方法進(jìn)行計(jì)算可以提高其效率，在整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中也會更加科學(xué)?；跉鋬δ艿墓夥l(fā)電系統(tǒng)往往需要進(jìn)行科學(xué)的控制方法，將相關(guān)的指標(biāo)納入到整個系統(tǒng)當(dāng)中，對其進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，以此來達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。無論是在降低成本還是提高效率等方面，都能夠發(fā)揮出算法的優(yōu)勢。為了進(jìn)行算法優(yōu)化工作，首先需要進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的設(shè)計(jì)，將光伏發(fā)電系統(tǒng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)，如效率，功率，溫度以及轉(zhuǎn)化條件，通過合理的數(shù)學(xué)符號進(jìn)行表達(dá)，納入到整個的目標(biāo)函數(shù)當(dāng)中。通過對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，能夠達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)，得到更好的結(jié)果，在光伏發(fā)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)的過程中，得到更加合理的數(shù)據(jù)。在目標(biāo)函數(shù)設(shè)計(jì)的過程中，往往需要通過模擬仿真軟件，通過電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，需要結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際問題，盡可能的模擬真實(shí)場景，以此來達(dá)到優(yōu)化的目的。

2.約束性條件。

在整個氫儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，還存在若干約束條件。一般來講，約束條件比較復(fù)雜，會給整個系統(tǒng)的使用造成嚴(yán)重的影響，充分地對其約束條件進(jìn)行分析，將其納入調(diào)整這個優(yōu)化函數(shù)當(dāng)中對其進(jìn)行計(jì)算，能夠在限制條件下進(jìn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)，以此來保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的有效應(yīng)用。首先是系統(tǒng)供電的可靠性約束，需要對其內(nèi)部的功率負(fù)載等進(jìn)行計(jì)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(wěn)定供應(yīng)。另外在整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，需要確保系統(tǒng)合理性的約束，如體積的限制，性能極限的限制以及在應(yīng)用的過程中一些外界條件的約束，都需進(jìn)行有效的考慮。避免出現(xiàn)不合理的問題，能夠保證光伏發(fā)電系統(tǒng)得到更加合理進(jìn)行應(yīng)用。

3.優(yōu)化算法。

在進(jìn)行氫儲能光伏發(fā)電系統(tǒng)控制的過程中，通常需要選擇合理的優(yōu)化算法，才能夠得到最終的優(yōu)化結(jié)果，在進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)的過程中才會更加合理。目前來看，優(yōu)化算法包括粒子群算法，蟻群算法以及預(yù)測控制算法，以上都是目前比較常見的一些優(yōu)化算法。在使用的過程中，有些算法的復(fù)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(shù)容易調(diào)節(jié)，但精度不夠高。在整個光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行使用過程中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景以及實(shí)際需求選擇合適的優(yōu)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(yōu)化算法相對較為成熟，但是在應(yīng)用過程中卻存在落地困難的問題，還需進(jìn)行更多實(shí)驗(yàn)，保證更多優(yōu)秀的算法得到良好的應(yīng)用。

四、結(jié)束語

綜上所述，在現(xiàn)階段發(fā)展的過程中，光伏發(fā)電系統(tǒng)給人們的正常應(yīng)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(jìn)了可持續(xù)的發(fā)展，另外一方面光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能比較好，在相應(yīng)的應(yīng)用場合當(dāng)中也發(fā)揮出了一定的作用。同時結(jié)合氫儲能的技術(shù)，能夠保證光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)揮出更多的作用。在未來發(fā)展的過程中，仍需對氫儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的相關(guān)影響進(jìn)行分析，尤其是電能質(zhì)量，系統(tǒng)保護(hù)以及電力調(diào)峰等問題進(jìn)行重點(diǎn)分析，針對性地提出優(yōu)化和控制策略，能夠保證光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)揮出更多的作用，給人類的社會發(fā)展做出一定的貢獻(xiàn)。