采用先进的热力学和多目标优化方法，对下一代混合光伏-固体氧化物燃料电池（PV-SOFC）电力系统在近乎零能耗建筑中的应用进行深入分析

《Energy》：In-Depth Analysis of Next-Generation Hybrid PV–SOFC Power System for Nearly-Zero Energy Building Using an Advanced Thermodynamic and Multi-Objective Optimization Approach

本研究针对沙特纳杰兰地区教育建筑设计了一种融合SOFC、光伏、电池储能及吸收式制冷的混合能源系统，采用NSGA-II多目标优化和TOPSIS决策方法，比较干式与蒸汽重整工艺，优化结果表明干式重整系统效率52.3%、年成本8.74万美元、CO2排放148吨，优于蒸汽重整方案，且废热回收使系统Exergy效率提升15%，关键组件Exergy destruction分析显示SOFC堆和燃烧器为主要不可逆源。提出光伏-建筑面积比1.48㎡/㎡、电池峰值负荷比1.77kWh/kW的标准化设计指标。

　　

Maher Abuhussain

沙特阿拉伯麦加乌姆阿尔-库拉大学Al-Qunfudhah工程与计算学院土木与环境工程系

摘要

本研究为沙特阿拉伯Najran的一座教育建筑开发并优化了一个混合能源系统，该系统集成了固体氧化物燃料电池（SOFC）、光伏（PV）面板、电池储能以及通过单效吸收式制冷机和热能储存来回收废热。在炎热干燥的气候条件下，对干重整和蒸汽重整路径进行了全面的热力学分析。基于NSGA-II的多目标优化框架被用来最大化系统效率、最小化运营成本并减少二氧化碳（CO₂）排放，同时应用TOPSIS方法从帕累托前沿中选择折中方案。比较分析显示，尽管干重整的堆栈效率低5.15个百分点，但其产生的排气温度比蒸汽重整高40–65°C，从而提高了废热回收率。在7214 A/m²的电流密度下，实现了最高的净电力输出1288 kW，而最佳入口温度为596°C时可获得1214 kW的电力。干重整的TOPSIS方案系统效率为52.3%，年成本为87,400沙特里亚尔，年二氧化碳排放量为148吨；相比之下，蒸汽重整的TOPSIS方案系统效率为50.8%，年成本为91,200沙特里亚尔，年二氧化碳排放量为155吨。与单独使用SOFC相比，废热回收的整合使能量效率提高了15%。通过对各组件的能量损失分析发现，SOFC堆栈和后燃室分别是主要的不可逆能量损失源，占比分别为38%和24%。为了在高太阳能地区类似系统的初步设计中提供参考，提出了包括光伏与地板面积比（1.48 m²/m²）和电池与峰值负载比（1.77 kWh/kW）在内的标准化尺寸指标。

引言

能源被广泛认为是一种战略资源，其供应和安全对国际稳定和全球经济至关重要[1]、[2]。尽管可再生能源技术的部署正在加速，但化石燃料仍主导着全球能源格局，并预计在未来几十年内仍将占据重要份额[3]、[4]。目前，全球大部分能源生产依赖于不可再生资源来满足电力、供暖和制冷需求[5]，这导致了温室气体浓度的增加和气候变化的加速[6]、[7]。建筑行业在全球最终能源消耗和能源相关二氧化碳排放中占很大比例，使其成为脱碳战略的关键目标[8]、[9]。在这种背景下，近零能耗建筑的概念作为一种设计范式逐渐受到关注，该范式旨在通过集成高效系统和现场可再生能源生成来最小化净能源消耗[10]。因此，迫切需要开发先进的混合能源系统，将可再生能源与高效转换技术相结合，以满足建筑的各种电力和热能需求[11]、[12]，同时减少碳排放[13]、[14]。

在适合建筑应用的多种先进能源转换技术中，固体氧化物燃料电池（SOFC）因其高电力效率、燃料灵活性以及结合热电联产的能力而受到广泛关注[15]、[16]。需要明确的是，SOFC本质上并不属于可再生能源技术；它们是电化学转换装置，其环境影响完全取决于燃料来源[17]，燃料来源可以是天然气和甲烷，也可以是可再生氢或沼气[18]、[19]。然而，它们的高转换效率以及废气流中可用的高质量热能使它们成为实现建筑脱碳的理想组件。SOFC在600至800°C的高温下运行，这不仅促进了优越的电化学反应，还产生了足够质量的废气热能，可用于驱动吸收式制冷机系统进行冷却，或通过热交换器直接供应空间供暖[20]、[21]。这种结合冷却、供暖和发电的能力使得SOFC特别适合全年都有多样电力和热能需求的机构和教育建筑[22]。

为了解决可再生能源的间歇性问题以及SOFC对持续燃料的需求，将SOFC与太阳能光伏和电池储能系统结合的混合配置已成为一种有吸引力的系统架构[23]、[24]。在这种配置中，光伏面板在白天提供零排放电力，电池储能弥补了供需时间上的不匹配，将可再生能源的使用时间延长到晚上[25]，而SOFC则提供可靠的基础负载电力，其高温废气用于驱动供暖和制冷的热子系统[26]、[27]、[28]。这种混合系统与其服务建筑之间的互动是双向和动态的。建筑物的时变电力和热负荷特性（例如教育建筑的负荷模式与教学时间表高度一致，在周末和学术假期期间负荷降低，以及在炎热气候下以冷却为主的热负荷）决定了每个组件的最佳尺寸和调度策略[29]、[30]、[31]。相反，系统的发电和储能能力决定了建筑物实现近零能耗的程度。这种建筑需求特性与系统设计之间的紧密耦合是本研究区别于一般SOFC性能分析的地方，因为优化必须考虑教育设施特定时间模式和能源需求的规模。

由于在最大化能源和能量效率、最小化资本和运营成本以及减少二氧化碳排放等相互竞争的目标之间存在固有的权衡，因此优化这类多组件系统的设计和运行是一个重大挑战[32]、[33]。多目标优化技术，特别是像非支配排序遗传算法II（NSGA-II）这样的进化算法，非常适合识别揭示这些权衡的帕累托最优解，并支持明智的决策[34]。当与多标准决策方法（如基于理想解相似性的优先级排序技术TOPSIS）结合使用时，这些框架可以从帕累托前沿中选择符合特定机构经济和环境优先级的平衡折中方案。

上述集成构成了本研究所称的下一代混合PV–SOFC电力系统，它与传统SOFC或PV系统相比具有三个显著特点，这些特点共同推动了技术进步。首先，它在一个优化的框架内整合了五个功能子系统，包括光伏、带重整功能的SOFC、电池储能、吸收式制冷机和热能储存，同时满足建筑的电力和热能需求。其次，它系统地比较了两种竞争性的燃料重整路径——干重整和蒸汽重整，不仅评估了它们的电化学性能，还评估了它们对废热回收质量和吸收式制冷机效率的下游影响，而在现有文献中尚未在统一的优化框架内进行过这样的比较。第三，它从优化结果中得出了标准化和无量纲的设计指标，这些指标可以用于类似建筑类型和气候区域的初步系统尺寸设计。因此，本研究的具体贡献如下：为炎热干燥气候下的教育建筑开发并进行了热力学分析的集成PV–SOFC–电池CCHP系统及废热回收方案；在统一的多目标优化框架内系统地比较了干重整和蒸汽重整路径；实施了NSGA-II优化并结合TOPSIS决策方法来识别和解释平衡的折中方案；以及推导出标准化尺寸指标以支持系统可扩展性评估。本文的其余部分安排如下：第2节回顾相关文献，第3节描述方法论，第4节展示结果和讨论，第5节提供结论。

章节摘录

文献综述

在过去十年中，关于将SOFC集成到混合能源系统中用于热电联产和三联产应用的研究已经非常广泛。本节回顾了最相关的研究，涵盖了基于SOFC的热电联产和三联产性能、重整技术及其对稳定性的影响、适用于建筑应用的混合可再生-SOFC配置，以及用于识别本研究所解决的具体差距的多目标优化方法。

方法论

本节概述了用于设计、建模和优化混合PV–SOFC–电池能源系统的方法论框架。首先描述了整个系统配置及其集成路径。接下来介绍了控制体积分析的热力学控制方程。随后是每个子系统的详细数学模型，包括带干重整和蒸汽重整的SOFC、光伏面板、电池储能等。

结果与讨论

本节展示了所提出的混合PV–SOFC–电池CCHP系统的热力学分析、模型验证和多目标优化结果。结果按以下顺序组织：模型验证、重整路径比较分析、优化结果及其物理解释、代表性设计的参数化热力学性能分析、组件级别的能量损失、教育建筑负荷特征的影响以及可扩展性讨论。

结论

本研究调查了为沙特阿拉伯Najran的一座教育建筑设计的混合PV–SOFC–电池CCHP系统的热力学性能、多目标优化和环境影响，该系统通过吸收式制冷机和热能储存实现废热回收。在统一的框架内系统地比较了干重整和蒸汽重整路径，并采用NSGA-II优化结合TOPSIS决策方法来识别平衡的系统方案。

CRediT作者贡献声明

Maher Awad Abuhussain：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、资源、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化

利益冲突声明

作者声明本文的发表不存在任何利益冲突。

数据可用性声明

支持本研究发现的数据可向相应作者索取。

人工智能辅助工具使用声明

在准备本手稿的过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI, GPT-4）和QuillBot来提高英语语言质量、纠正语法错误，并提升科学写作的清晰度和可读性。这些工具仅用于语言优化，未用于数据生成、模拟、数值分析、结果解释或科学结论的制定。作者已对这些工具进行了彻底审查和批判性评估。

资金声明

本研究未获得公共部门、商业部门或非营利部门的任何特定资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的报告内容。