海运占全球贸易量的80%以上，被认为是全球碳中和目标中难以减少排放的领域。在国际海事组织（IMO）提出到2050年实现净零温室气体排放的目标推动下，航运业迫切需要从传统化石燃料动力转向清洁能源系统。海上绿色氢生产以其对土地占用少、生态干扰小以及丰富的可再生能源资源（风能、太阳能、波浪能）而成为解决海运电气化瓶颈的关键方案[1]、[2]。其核心原理是利用海上可再生能源产生的电力驱动电解器，将水分解为氢气和氧气，整个过程不产生二氧化碳排放[3]、[4]。这种绿色氢不仅在重工业和电力削峰方面具有广泛的应用前景，还为长距离、大吨位航运提供了可行的零碳能源路径。特别是在具有稳定和高密度可再生能源资源的偏远海域，能源输出可以高效匹配电解氢生产的负荷需求，使海上绿色氢成为构建全链条零碳海运系统的关键环节[5]。
关于可再生能源耦合氢生产、燃料电池船舶推进系统以及船舶多能源调度的相关研究已取得一定进展，一些研究开始纳入电解器和可再生能源发电厂的时间变化效率建模，以应对能源波动对系统性能的影响[6]、[7]。然而，这些成就仍存在明显局限性，限制了岛-船-岸氢能系统的实际应用。
在可再生能源与电解氢生产结合的研究领域，现有研究涵盖了太阳能、风能、太阳能-风能混合能和海上风能等多种能源类型，核心思想是利用清洁能源驱动电解器生产绿色氢[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。然而，大多数研究仅关注孤立设备的优化或能源源-电解器的静态耦合，缺乏对海上环境中多能源互补系统动态协调机制的深入探索。它们未能将单个设备的动态效率特性扩展到岛氢生产-船氢消耗-岸氢储存的多节点协同场景，也无法适应船舶在不同运行条件下的动态氢需求。
在船舶燃料电池应用方面，学术界进行了大量案例研究。将电池系统整合到船舶推进系统中已被证明是减少航运业排放的可行方案[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。在燃料电池选择上，SOFC表现更好，因为它可以通过电化学反应完全氧化而不排放任何污染物。然而，自然界中不存在纯氢，因此需要将氢生产设备与SOFC结合使用。
关于氢生产设备与固体氧化物燃料电池（SOFC）船舶应用的耦合，学者们研究了由燃气轮机废热、光伏热能和生物质能驱动的能量回收和联合发电性能提升[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]。此外，学者们还探索了多种可再生能源（生物质能、地热能、太阳能热能）与氢生产和多能源系统的集成。例如，Shayan Sharafi Laleh等人[38]提出了一个结合沼气燃料的多联产系统，通过多目标优化实现了能源转换和碳利用的高效协调；Shayan Rabet等人[39]开发了一个结合消化器、气化器、地热单元和海水淡化技术的系统，验证了生物质能-地热能互补氢生产和多产品供应的可行性。在太阳能-生物质能耦合领域，Shayan Sharafi Laleh等人[40]整合了光伏热（PVT）模块、质子交换膜电解器（PEME）、生物质气化和固体氧化物燃料电池（SOFC），实现了绿色电力和氢气的协同生产，并通过能量、能量效率和经济效益分析优化了系统性能；Shayan Rabet等人[41]提出了一个结合SOFC、热光伏（TPV）、氯化钒氢生产和二氧化碳液化模块的多联产系统，实现了SOFC辐射废热的有效回收和电力-氢-二氧化碳捕获的低碳协同。然而，现有研究大多侧重于单个设备的集成优化，很少涉及海上氢生产系统与船舶运行需求之间的动态匹配。此外，这些研究中建立的耦合模型通常没有将上游和下游设备（PEM电解器-SOFC）的动态效率串联起来，导致模型结果与全链条系统的实际运行存在较大偏差。
在船舶多能源系统联合调度研究中，当前研究主要集中在混合动力系统的能源管理上，涉及传统柴油动力和可再生能源等多种能源形式的集成和优化[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]。常见的优化方法包括分层优化、多目标能源管理和算法调度。尽管一些研究引入了动态效率假设，但这些调度策略通常仅关注单个船舶或单一目标（成本或效率）的静态能源分配。它们未能将全周期中每个环节的效率波动以及能源、能量、能量效率和经济（4E）的多维协调纳入统一的调度框架，这使得优化结果难以指导复杂岛-船-岸多节点系统的实际运行。
总之，现有研究在单个设备和单节点优化方面的动态效率建模上取得了进展，但在岛-船-岸氢能系统中仍存在三个具体且相互关联的研究缺口，限制了其实际应用。首先，现有研究孤立地模拟了单个设备（如PEME、SOFC）的动态效率，但未能建立岛氢生产设备与船氢消耗设备效率波动之间的关联，导致氢供应和需求脱节，无法应对整个链条的动态变化。其次，大多数模型假设船舶运行条件固定，忽略了航行、氢储存和岛上运行过程中氢需求的差异，导致高功率航行时氢短缺或因储存过剩而造成浪费，无法实现生产-储存-利用的精确匹配。第三，单一目标调度策略（如仅最小化成本或最大化效率）忽略了可再生能源波动和设备效率变化对能源、能量效率、环境和经济（4E）指标的累积影响，优化结果与实际运行不符，无法平衡系统性能和经济性。
设备效率耦合的缺失加剧了供需不匹配问题，缺乏4E框架使得无法解决效率与成本之间的权衡。因此，迫切需要构建一个全周期动态优化模型来填补这些缺口。为了解决上述问题，本研究构建了一个涵盖岸基辅助氢储存、能源岛核心氢生产和海上运行节点的多节点氢能集成系统，并建立了96小时多小时尺度的全周期动态优化模型。该模型结合了质子交换膜电解器（PEME）和SOFC等核心设备的动态特性，将船舶运行划分为航行、氢储存和岛上运行三种状态，并制定了提前氢生产、动态氢消耗和氢储存量调节等调度策略，以实现运行状态的平稳切换。此外，结合质量、能量、能量效率和能量经济平衡，本研究对系统的全周期氢生产和消费模式、氢储存动态变化以及关键组件的能量损失分布进行了全面分析。通过核心设备参数的敏感性分析和基于NSGA-II算法及TOPSIS方法的多目标优化，实现了整个氢生产-储存-利用链的高效协调和全周期的稳定运行。研究结果为海运系统的零碳运行提供了可靠的理论基础和技术支持。
