《ChemistryOpen》：Monthly Energy, Exergy, Environmental, and Economic Performance and Green Hydrogen Production Analysis of a Flat-Plate Solar Collector-Driven Organic Rankine Cycle System Under Variable Mass Flow and Irradiance
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该研究综合评估了一种将质子交换膜（PEM）电解槽与平板太阳能集热器（FPSC）（224.64 m2）驱动的有机朗肯循环（ORC）相耦合的混合系统，在不同流量条件下的能量、?、环境及经济性能。研究人员在工程方程求解器（EES）中模拟了五种流
该研究综合评估了一种将质子交换膜（PEM）电解槽与平板太阳能集热器（FPSC）（224.64 m2）驱动的有机朗肯循环（ORC）相耦合的混合系统，在不同流量条件下的能量、?、环境及经济性能。研究人员在工程方程求解器（EES）中模拟了五种流量，得到日电力输出介于86.33 MJ至91.52 MJ之间，相当于整个七月期间2.676–2.837 GJ。氢气日产量为414.35至439.30 g，月度总量达12.85–13.62 kg。最高小时能量效率在23.82%至21.71%之间变化，而最大?效率几乎保持稳定在6.70%–6.72%，表明系统行为稳定。该混合装置每日减少CO2排放39.39–42.56 kg，七月累计达1221.09–1984.31 kg。尽管随着流量增加，每日财务收益从10.90 USD略微下降至10.15 USD，对应月度337.91–314.57 USD，但系统仍显示出显著的运营和生态优势。所评估流量下的平均月度发电量为1.974 GJ，对应平均月收入235.12 USD，估计年收入为2,821 USD，简单回收期为9.73年。
**一、研究背景与问题**
随着全球工业化和人口扩张加速，能源需求持续攀升，开发环境友好型低碳能源替代方案成为迫切需求。石油和煤炭仍占能源消费的很大比例，导致碳排放、全球变暖、气候不稳定、干旱和自然灾害等重大生态问题。在此背景下，太阳能因其无限且广泛的可用性而在可再生能源中脱颖而出。平板太阳能集热器（FPSC）是将太阳能转化为热能的传统装置，其产生的热能可用于低温系统的电力生产。有机朗肯循环（ORC）正是一种利用低沸点工质将低温热能转化为电能的技术，其中制冷剂134a（R134a）因具有优良特性而被广泛使用。
现有研究主要存在以下问题：多数研究集中于稳态或恒定流量工况下的ORC系统性能分析，缺乏对变质量流量、太阳辐照度和环境温度同时变化条件下系统瞬态日性能的综合考察；以往研究中的氢气生产通常被视为次要产出，缺乏对PEM电解槽与ORC时变电力输出直接集成的量化分析；此外，将低温果蔬干燥、住宅热水储存、电力生产和绿色制氢集成于单一太阳能驱动系统中的多联产R134a基ORC配置鲜有研究涉及。
**二、研究内容与结论**
该研究旨在评估所提出的FPSC-ORC-PEM系统在不同运行条件下的热力学、经济和环境性能，分析了能量和?效率、电力和氢气生产能力的可行性、碳减排潜力、年度经济贡献及系统回收期，并利用一月和七月的代表性运行数据进行估算。此外，从ORC回收的废热被用于低温果蔬干燥和住宅热水储存。研究结果证明该系统在支持可持续多联产能源应用、减少化石燃料依赖和促进向低碳能源系统转型方面具有潜力。
研究人员在Adana地区七月实际太阳辐照数据基础上，系统评估了五种不同水质量流量（0.42–0.46 kg/s）下系统的小时性能。该研究的主要创新点包括：首次对组合FPSC-ORC-PEM系统进行详细的小时热力学、环境和经济评估，且PEM电解槽直接与ORC系统的时变电力输出相集成，量化了不同质量流量下的日和月氢气生产率；提出的配置将低温果蔬干燥、住宅热水储存、电力生产和绿色制氢同时整合于单一太阳能驱动系统中。
**三、关键技术方法**
该研究采用工程方程求解器（EES）作为核心模拟工具，建立FPSC-ORC-PEM混合系统的热力学模型。系统主要由224.64 m
2的FPSC阵列、R134a动力ORC、PEM电解槽、果蔬干燥腔和住宅用热水储罐组成。热力学分析基于稳态假设，采用能量和?分析法评估系统性能，环境分析聚焦于CO
2减排量计算，经济分析则涵盖日收益、月收益、年收益估算及简单回收期计算。研究使用了Adana地区七月实际太阳辐照数据作为输入条件。
**四、研究结果**
**3.1 FPSC的能量与?评估**
研究人员基于能量平衡方程对FPSC进行热力学分析，计算了集热器的能量效率和?效率。总入射太阳能量根据集热器倾角进行计算，?平衡方程考虑了有用?输出、向环境的?损失以及集热器内部不可逆性引起的?损。
**3.2 ORC的能量与?分析**
研究人员对ORC系统进行了详细的能量和?分析。净电力输出通过涡轮发电机产生的功率减去泵耗功获得，组件效率均取0.95。ORC的能量效率定义为净电力输出与从FPSC经蒸发器接收的热能输入之比。?效率则衡量系统将热源可用?转化为有用功的有效程度，热源?通过特定公式计算。
**3.3 氢气生产**
PEM电解槽是一种在低温下运行、能快速响应负荷动态变化的电化学转换技术。该研究采用70%的电解效率，基于水电解的摩尔能量需求（285.84 kJ/mol）计算氢气产量，产出高纯度氢气和氧气。
**3.4 系统整体能量与?性能**
研究人员定义了系统的整体能量效率，综合考虑了所有有用输出（果蔬干燥热量、储存热水和氢气能量，包括其高热值）减去寄生负荷（压缩机和泵），除以总太阳能输入。?效率同样基于第二定律分析进行计算，以评估系统的实际性能及不可逆损失。
**五、讨论与结论**
研究结果表明，所提出的FPSC-ORC-PEM混合系统具有良好的实际应用潜力。系统最高能量效率达到23.82%，最大?效率约为6.70%–6.72%。氢气月产量可达13.62 kg，同时具备精细的碳减排能力。虽然随着流量增加，系统每日财务收益从10.90 USD略微下降至10.15 USD，月度对应337.91–314.57 USD，但系统整体上展现出良好的经济性。平均月度发电量为1.974 GJ，对应月收入235.12 USD，估计年收入2,821 USD，简单回收期为9.73年。
研究结论认为，该混合多联产概念对于零碳能源生产而言是高效、可持续且环境友好的。果蔬干燥和热水储存等辅助功能进一步提升了系统的综合利用价值。作者建议，后续研究应考虑动态建模和实验验证，包括管道热损失、组件部分负荷运行以及太阳辐照快速波动等瞬态效应的影响，以提高结果的准确性和实际应用价值。
