《Results in Engineering》：Techno-economic Evaluation of a Newly Combined Hydrogen and Power Floating Photovoltaic-Fuel Cell System
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本研究采用分析仿真方法，评估了新开发的浮式光伏（Floating Photovoltaic, FPV）与燃料电池（Fuel Cell, FC）联合系统的运行及成本相关因素，该系统旨在生产电力和绿氢。所提出的配置包括FPV集热器单元、电解槽、燃料电池、转换装置以
本研究采用分析仿真方法，评估了新开发的浮式光伏（Floating Photovoltaic, FPV）与燃料电池（Fuel Cell, FC）联合系统的运行及成本相关因素，该系统旨在生产电力和绿氢。所提出的配置包括FPV集热器单元、电解槽、燃料电池、转换装置以及储氢系统。本研究的独特之处在于用创新的太阳能FPV-FC系统替代传统的混合PV-FC设置系统，以获得更高的运行效率和成本效益。通过MATLAB/Simulink软件进行的详细建模，全面评估了系统组件的技术和财务性能。通过计算基本系统参数（包括FPV面板功率、效率、面积；FC堆栈功率、效率、面积；存储的总氢气质量以及配置系统组件的总体平准化度电成本（Levelized Cost of Electricity, LCOE））对模型进行了验证。此外，还介绍了影响输出性能的系统参数的敏感性分析。太阳能辐射强度、风速、FC工作温度、FPV面板数量和FC堆栈数量被视为变化参数。结果表明，在1500 W/m2辐照度下，FPV-FC系统的PV和FC峰值输出分别达到470 kW和440 kW，储氢量达到1100 kg。通过敏感性分析确定的最佳辐照度水平（1000 W/m2）下，模拟的最低LCOE为0.16 /kWh。该指标代表最低运行点LCOE，而非年度系统化性能。在性能较低的运行条件下，该指标增加至约0.22–0.29/kWh。将FPV面板增加至2000块使堆栈效率提升至14%，而400个FC单元将效率提升至13.5%，并将LCOE从6 /kWh降低至1/kWh。温度和风对成本的影响较小，LCOE稳定在0.22–0.23 $/kWh左右。
论文解读
研究背景与意义
在全球能源转型的背景下，太阳能光伏发电（Photovoltaic, PV）已成为增长最快的支柱之一。然而，其大规模部署仍面临三大相互关联的制约因素：一是与农业和城市的用地竞争；二是炎热气候下由组件温度升高引起的效率衰减；三是由于太阳辐照度受天气影响而产生的间歇性导致的有限可调度性。这些问题在干旱和人口稠密地区尤为突出。浮式光伏（Floating Photovoltaic, FPV）通过在水库、湖泊或沿海水体上安装组件，直接解决了前两个限制，不仅释放了生产性土地，减少了蒸发损失，还利用水面的自然冷却作用将组件效率提高了5%–15%。然而，FPV无法解决可调度性问题。为了克服这一缺陷，研究人员引入了通过水电解产生的绿氢，并利用燃料电池（Fuel Cell, FC）将其重新转换为电能。这种结合不仅实现了长时间的储能和部门耦合，还提供了一体化的土地、热学和间歇性解决方案。尽管关于PV-FC混合系统和独立FPV电站的文献日益增多，但针对一体化FPV-电解槽（Electrolyzer, EL）-FC配置用于同时生产电力和绿氢的研究仍然分散。本研究首次在一个与地点无关的技术经济模型中，结合了FPV配置、耦合的EL-FC物理特性以及联合多参数敏感性框架，填补了该领域的空白。该论文发表在《Results in Engineering》。
关键技术与方法
为实现上述目标，研究人员开发了一个基于MATLAB/Simulink?的综合计算建模框架。该模型并非针对单一固定站点，而是作为一个与地点无关的框架，能够在广泛的参数范围内进行扫描。系统配置包括额定功率约为470 kW的FPV阵列、匹配FPV峰值输出的电解槽、约440 kW峰值功率的质子交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM）FC堆栈以及最大库存约1100 kg的储氢罐。在建模过程中，研究人员采用了基于规则的能源管理控制策略：当FPV发电量超过负载需求时，多余能量驱动电解槽产氢并储存；当发电量不足时，控制器启动FC消耗储存的氢气以弥补电力缺口。在经济评估方面，研究构建了平准化能源成本（Levelized Cost of Electricity, LCOE）模型，综合考量了设备投资、运营维护成本及组件寿命周期（如PV寿命25年，FC寿命5年，电解槽寿命15年），并在5%的利率下进行资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）核算。此外，研究进行了广泛的敏感性分析，重点考察了太阳辐照度、陆地风速、FC工作温度以及FPV面板和FC堆栈数量对系统性能和成本的边际影响。
研究结果
3.1 讨论敏感性分析
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太阳辐射变化的影响：系统性能高度依赖于太阳辐照度。随着辐照度从5 W/m2增加到1500 W/m2，FPV输出功率显著增加，从而产生了更多的过剩电力用于电解制氢。这导致储氢量增加，且FC堆栈的净输出功率也相应提高（在1500 W/m2时达到约440 kW）。这表明在高辐照度环境下，系统的整体能源预算和长期储能能力均得到增强。
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陆地风速的影响：陆地风速与FPV输出功率呈负相关。当风速从1 m/s增加到15 m/s时，FPV最大输出功率从约410 kW降至约280 kW。这是因为较高的风速虽然增强了热对流损失，但在该模型中，其对系统性能的整体影响较小。FC堆栈的输出功率在不同风速下保持恒定（约170 kW），表明该系统的行为主要由太阳能资源主导，而非空气动力学条件。
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FC温度的影响：温度对集成系统性能有直接的负面影响。当FC工作温度从40°C升高到100°C时，FPV输出功率下降了约25%–30%，FC堆栈功率也从约180 kW降至约160 kW。这是由于高温导致半导体带隙变窄和载流子复合增加，同时降低了低FC的电压效率。尽管如此，储氢罐的质量在经历初始瞬态后趋于稳定，显示出监督控制策略在调节供需平衡方面的有效性。
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FC和FPV单元数量的影响：增加FC数量（最高至400个）会导致总堆栈面积线性增加（从0增至约570 m2），堆栈效率提升至13.5%，但对PV的面积和效率无显著影响。相反，将PV面板数量增加至2000块，总面积扩大至约1000 m2，且FC堆栈效率随之提升至14%。这说明扩大PV规模能有效减轻FC系统的负担，使其在更高效率下运行。
3.2 成本分析结果
LCOE对太阳辐照度最为敏感，呈现明显的反比关系。在1000 W/m2的最佳辐照度下，LCOE达到最低的0.16 /kWh；而在极低辐照度（5W/m2）下，LCOE则上升至0.29/kWh。温度对LCOE的影响相对有限，在5°C至15°C范围内，LCOE稳定在0.23 /kWh左右。极端风速下的测试显示LCOE保持在0.22/kWh，证实了其对成本的次要影响。在组件规模方面，LCOE随FPV面板和FC数量的增加而显著下降，但超过特定阈值（约500个FPV面板或150个FC）后，下降趋势放缓并趋于平稳，体现了规模经济效应和设计极限。
3.3 实际意义
基于上述结果，研究人员指出，在经济上最优的配置约为500个FPV面板和150个FC单元，此时LCOE趋于平稳。该系统特别适合部署在具有高太阳辐照度和可用水体的地区（如中东和北非（MENA）地区），水体的冷却效应是其相比地面PV的关键优势。此外，氢储能作为长期缓冲机制，使其非常适合并网兼容或作为离网社区的独立解决方案。
3.4 研究局限性
研究承认存在一定的局限性，包括未使用全面的时变天气匹配数据集、假设了准稳态操作条件而未考虑波浪引起的平台运动、采用了确定性方法而未进行概率分析，以及储氢子系统模型未考虑压力瞬变和热效应等。未来的工作需要更详细的实验验证和多物理场瞬态建模。
结论总结
研究人员的综合分析表明，将FPV系统与FC结合是一种具有高技术价值和经济效益的新型可再生能源方案。在最佳条件下，该系统能实现470 kW的FPV输出和440 kW的FC输出，并存储高达1100 kg的氢气。通过敏感性分析确定的最低运行点LCOE为0.16 /kWh，而在不同运行条件下模拟的LCOE范围约为0.22至0.29/kWh。增加FPV面板和FC数量能有效提升效率并降低成本，证明了规模经济的存在。总体而言，该研究为在水资源丰富的炎热地区推广零排放能源系统提供了坚实的理论基础和设计指导。
