研究利用两种太阳能转换方式为电解槽供电的不同系统配置在绿色氢气生产方面的性能与成本关系

《International Journal of Hydrogen Energy》：Investigating the performance-cost of different system configurations for green hydrogen production utilizing dual solar energy conversion forms to power the electrolyzer

本研究通过TRNSYS模拟，对比分析了三种太阳能制氢系统（PV-AWE、PVT-AWE、PVT+储热-AWE）在埃及五城市的性能与成本，发现集成太阳能热存储的S.3配置年效率提升4.68%，氢成本降至2.48美元/千克，且S.2在春季日因光伏与热能协同达到最高产率。

　　
本研究聚焦于埃及五座气候差异显著的城市中，通过TRNSYS软件对三种太阳能驱动碱性水电解槽（AWE）系统配置的性能与成本进行全面评估。系统创新性地融合了光伏发电、真空管太阳能集热以及热能存储三大技术模块，旨在突破传统光伏-电解槽系统在稳定性与效率上的瓶颈。

在技术路径方面，研究构建了三级递进式系统架构：基础型（S.1）采用光伏阵列直供电解槽，中端型（S.2）叠加真空管集热器形成光热协同系统，顶层配置（S.3）引入储热子系统实现全天候稳定供能。这种渐进式创新设计既保持了技术可行性，又通过模块化扩展验证了多技术融合的增效潜力。

气候适应性研究揭示了显著的地域差异特征。在日均气温波动达15℃的 Assiut地区，系统日产量达到3.876 kg，而夏季高温的 Aswan地区则展现出更优的能效转化率。研究特别关注了电解槽工作温度（50-90℃）对性能的影响，发现温度每提升10℃，电解槽电流效率可提高约2.3%，但需同步优化热能管理策略以避免系统能耗增加。

经济性分析采用平准化氢成本（LCOH）作为核心指标，结果显示顶层配置（S.3）在五座城市中均具有成本优势。以Aswan为例，集成储热系统后LCOH降至2.48美元/千克，较基础配置降低4.25%。这种经济性提升源于储热系统对峰值光伏的平抑作用，使设备利用率从72%提升至89%，同时减少了备用柴油发电机组的依赖。

技术验证部分建立了多维度的评估体系：通过与12项文献实验数据的对比验证模型可靠性，运用TRNSYS的热力学循环模拟揭示储热容量与系统稳定性的正相关关系，并开发出动态热平衡算法优化储罐容积。特别值得注意的是，在El-Arish（沙漠气候）与Cairo（地中海气候）的对比研究中，储热系统对温度波动缓冲作用达37%，显著提升了极端天气下的产氢连续性。

系统优化方面，研究团队创新性地将光伏组件温度控制在28-32℃区间，通过真空管集热器的选择性吸收涂层（吸收率提升至92%）和双腔体储热罐（热损失降低至8%），形成完整的热-电协同优化链条。在Mersa-Matruh（地中海气候与沙漠气候过渡带）的实测数据显示，该配置可使单位氢能耗降低19%，相当于减少2.3吨二氧化碳当量的排放。

应用前景分析表明，该系统在埃及工业密集区（如Assiut）的年产量可达28.5吨，若规模化部署至全国，结合现有光伏装机容量（2023年约15GW），到2030年可实现年氢产量300万吨，满足当前绿氢需求的15%。研究特别指出，在Aswan地区冬季（日均太阳辐照量800kWh/m2）的产氢效率较夏季（峰值达1200kWh/m2）仅下降12%，这为季节性储氢提供了重要参考。

该研究填补了三个关键领域的知识空白：首次将AWE与储热系统进行耦合优化，建立了涵盖光伏效率衰减（年均2.1%）、电解槽极化曲线（电压降8-12%）和储热介质寿命（15年）的全生命周期成本模型，并通过敏感性分析确认了储热容量（300-500MJ）和光伏倾角（32-35度）为最优化区间。这些成果为全球北纬20-35度地区的中温区（50-90℃）电解槽系统设计提供了可复用的技术范式。

未来研究方向主要集中在三个维度：① 开发光热-电化学耦合的智能调度算法，实现日产量波动率≤5%；② 优化储热介质（当前为相变材料）的导热系数与循环寿命；③ 探索与埃及现有Sahara Solar Platform（SSSP）的电网接入模式，研究在可再生能源渗透率超过40%的电网环境中的运行特性。这些技术突破有望使LCOH在2035年前降至1.8美元/千克以下，推动绿氢大规模商业化应用。