《Renewable Energy》：Numerical Analysis and Performance Optimization of a Solar Photovoltaic–Electrolyzer System with Hybrid Nanofluid-Based Cooling for Sustainable Hydrogen Production
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绿氢生产系统效率与氢产量提升研究。通过正弦波冷却通道和混合纳米流体优化热管理，实现光伏电效率46.02%、热效率13.1%和总效率80.49%，氢产量和电效率分别提升9.12%和9.3%，经济评估显示1.39年回收期。
M. Sheikholeslami | S. Yarmohamad
伊朗伊斯兰共和国巴博尔诺希尔瓦尼技术大学机械工程系
摘要
本研究数值模拟了一种结合质子交换膜水电解器（PEMWE）的混合太阳能光伏-热能（PVT）系统，该系统可实现电力生产和绿色氢气的同步生成。为了提升热管理性能，在光伏面板下方设计了一种新型的正弦波冷却管道，用于循环由水、氧化石墨烯和银纳米颗粒组成的混合纳米流体。光伏组件的建模考虑了实际的太阳辐射和光吸收特性，以及辐射热传递和外部热损失。通过参数分析评估了正弦波冷却管道的绕数对电气效率、热效率、总效率、压降、性能评估指标（PEC）、氢气产量和二氧化碳减排效果的影响。随后采用多目标优化方法在最小化液压损失的同时最大化系统总效率。利用留一法交叉验证（LOOCV）验证的多项式回归模型建立了设计变量与性能指标之间的关系。最终确定的最优配置为四圈正弦波冷却管道，其电气效率为46.02%，热效率为13.1%，总效率为80.49%，性能评估指标（PEC）为1.52%。与传统光伏系统相比，氢气产量和电气效率分别提高了9.12%和9.3%。混合纳米颗粒的加入进一步提升了系统性能和温度均匀性。经济评估表明，该设计的投资回收期约为1.39年，证实了其在可持续太阳能氢气生产方面的可行性。
引言
太阳能光伏-热能（PVT）系统通过同时产生热能和电能，相较于传统光伏面板提高了整体能源利用率。PVT技术的一个关键挑战是控制太阳能电池的温度，因为过高的工作温度会降低电气效率并缩短模块寿命。高效的冷却系统不仅能保持较高的电能输出，还能回收热能用于其他用途。先进的传热流体，尤其是混合纳米流体（由多种纳米颗粒组成的基液混合物），具有优异的热导率，能有效增强从光伏电池中移除热量。这有助于降低电池温度、提高电气效率（η-electric）和热能回收率，从而在各种环境条件下实现系统可靠高效的运行。光伏面板下方的冷却管道几何形状也起着重要作用。在现有设计中，正弦波（波浪形）冷却管道尤为有效，其波动形状促进了流体混合，改善了对流热传递，并实现了比直线管道更均匀的流体分布，成为先进PVT系统的高效冷却方案。将PEMWE与PVT系统集成，提供了一种高效且可持续的能源生产和储存方法。该配置直接利用PVT产生的电能和热能来驱动PEMWE运行。所产生的氢气可作为清洁能量载体，用于长期储存，应用于交通、工业和电力生产等领域。这种集成方式通过同时发电、管理热量和生成氢气，优化了太阳能的利用效率。PVT捕获的热量可用于预热进入电解器的水，从而提高电解器的效率并降低能耗。此外，PEM电解器因其快速动态响应和操作灵活性，非常适合处理太阳能的波动特性。
Alktranee等人[1]设计了一种新的PVT冷却系统，使用TiO2和Fe2O3纳米颗粒组成的混合纳米流体，证明了其高效性。他们的研究结果表明，这种方法使电气效率（η-electric）和热效率（η-th）分别提高了13%和44%。Shaalan等人[2]开发了一个实验装置，研究填充水的椭圆形冷却管对输出功率的提升作用，发现最大总效率可达69.38%。Kurniawati和Sung[3]设计了一种采用波浪形管道和三元纳米流体冷却的PVT系统，证明随着太阳辐射强度的增加，热效率提高了约20%。Mahdi等人[4]通过结合混合空气-水太阳能集热器、纳米流体和金属泡沫改进了PVT系统，总效率达到了93.64%。Khelifa等人[5]设计了一种采用空气和纳米流体冷却的PVT系统，发现提高纳米流体浓度可提升系统性能，总热效率达到63.28%。Gelis等人[6]对配备分隔矩形散热器的面板进行了优化研究，使用纳米流体作为冷却介质，发现当使用纳米流体时，最大热效率可达72.49%。Xu等人[7]研究了应用于集中式PVT的新光学截断方法，发现入射角度较小时两种系统的整体性能差异不大。Elsihy等人[8]研究了基于纳米流体的光伏-光学滤波器集成方案，发现添加银纳米颗粒可使光伏面板温度降低约11 K，并提升热输出约11%。
Salari等人[9]建立了一个包含相变材料（PCM）和热电发电机（TEG）的PVT-PEMWE模型，发现PCM的加入对氢气（H2）产量的影响有限。优化后的系统氢气产量为2.1摩尔/小时，电气效率为19.2%。Xu等人[10]研究了专注于优化阳极多孔传输层（PTL）设计的PEMWE模型，发现优化后的PTL结构可使资本成本降低20.4%。Ferrero和Santarelli[11]研究了带有多结太阳能电池的PEMWE，并通过实验数据验证了模型，证明将电解器与太阳能电池结合可提升效率，使用聚光器还能进一步提高绿色氢气产量。Muhammad等人[12]进行了关于集中式太阳能驱动的绿色氢气生产的技术经济研究，发现使用PEMWE的氢气生产成本约为13.07美元/千克，而固体氧化物电池的成本更低，为7.86美元/千克。Ma等人[13]开发了一种PVT-PEME系统，旨在通过热电过程同时生产氢气和氧气，观察到电解器的能量效率随辐射强度增加而提升，但在达到一定阈值后开始下降。Kariuki等人[14]提出了一种结合PVT面板、海水淡化装置、PEM电解器和平板集热器的混合系统，年产量为82,200千瓦时电能、1,120千克氢气和52,700千克淡水。集中式PVT系统的整体月效率峰值达到了44%。Cai等人[15]建立了数学模型，评估了不同连接配置下的PVT-PEMWE系统效率，发现14:00时氢气产量最高，间接连接方式比其他连接方式具有更高的氢气生产效率。
尽管已有大量关于太阳能辅助氢气生产系统的研究，但许多研究分别考察了光伏（PV）或光伏-热能（PVT）单元和水电解过程，往往忽略了它们集成的协同潜力。此外，传统PVT系统中的冷却配置（如直线或蛇形管道）在热管理方面效果有限，未能充分利用太阳能。本研究通过提出一种新的混合系统解决了这些问题，该系统通过填充混合纳米流体（水与Ag-GO纳米粉末的混合物）的正弦波冷却管道将PVT单元与PEMWE结合。这种双用途设计不仅提升了光伏组件的热调节性能，还优化了电解器的输入条件，从而提高了能源效率和氢气产量。与以往的研究不同，本研究采用了基于实际气候数据得出的真实边界条件进行全耦合3D模拟，并评估了流动动力学、纳米颗粒分布和操作参数在多个时间尺度上的综合效应。多目标优化过程的加入进一步明确了最佳几何形状（正弦波绕数），在最小化压力损失的同时实现了性能最大化。这一集成且经过性能优化的模型为高效、低二氧化碳排放和良好热电协同的清洁氢气生产提供了可行的实现途径，填补了太阳能系统开发中的重要研究空白。
部分摘录
结合PEMWE和太阳能PVT技术
将PEMWE与太阳能PVT系统集成可以有效应对太阳能的间歇性和不确定性。PEMWE系统因其快速动态响应和操作灵活性而非常适合这一应用，能够快速适应光伏输出的波动。这种集成方式可将太阳能直接转化为氢燃料，通过水电解将太阳能以稳定、可储存的化学形式储存起来。所产生的氢气可后续用于
结果与讨论
本研究首先分析了不同数量的正弦波冷却管道绕数对系统性能的影响，随后采用多目标优化方法在最小化压降的同时最大化总效率。确定最佳设计后，进一步分析了混合纳米颗粒分布的影响，发现其提升了热传递效率、改善了光伏面板温度均匀性并增加了氢气产量。
结论
本研究探讨了一种创新的太阳能驱动混合系统，该系统结合了PVT单元和PEMWE，实现了高效绿色氢气的生产。所提出的系统通过包含混合纳米流体的正弦波冷却管道，有效提升了光伏组件的热能移除效果，并预热了输入电解器的水，从而提高了氢气产量。
CRediT作者贡献声明
M. Sheikholeslami：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、软件开发、方法论设计、概念构思。S. Yarmohamad：初稿撰写、可视化设计、软件开发、数据分析、形式化分析、概念构思
利益冲突声明
? 作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
