多联产拓扑结构对利用集成CPVT系统的绿色氢生产技术经济性能的影响

《Scientific Reports》：Impact of polygeneration topology on the technoeconomic performance of green hydrogen production utilizing integrated CPVT systems

　　

研究人员提出了一项为期一年的逐小时动态比较分析，针对埃及三个海岸地点（胡尔加达、苏伊士、塞得港）的太阳能驱动多联产构型。研究人员开发并验证了一个MATLAB/SIMSCAPE计算框架，将聚光抛物面槽式集热器（PTC）与两种接收器技术耦合：传统的聚光光伏-热（CPVT）接收器A，以及高效GaInP/GaInAs/Ge三结光伏-热（C3JT）接收器B。两者均与质子交换膜（PEM）电解槽和多效蒸发（MEE）淡化单元集成。研究人员评估了四种构型：多联产-I（案例I-A和I-B）产氢和淡水，以及多联产-II（案例II-A和II-B）产氢并输出电力。结果表明，在所有构型和地点中，C3JT架构的年产氢量始终优于CPVT，优势为57.1–57.7%。在胡尔加达的案例II-B中实现了全球最低的平准化氢成本（LCOH）2.909美元/千克，相较于同一地点的多联产-I CPVT基线（案例I-A）降低了32.6%。MEE热集成引入了一种能量分配权衡，将多联产-I构型的系统至氢HHV效率降低至4.53–7.43%，但这一损失在经济框架中被淡水收入信用完全抵消。结果还表明，在埃及无需吉瓦级部署即可实现聚光太阳能多联产的经济可行性。

**研究背景与问题**
全球能源部门是人为温室气体排放的主要来源，脱碳转型需依赖清洁可再生能源。绿色氢因其高能量密度和近零排放特性成为关键解决方案，尤其在太阳辐射丰富的“太阳带”地区（北纬15°至40°之间，年直接法向辐照度DNI通常超过1700 kWh m^?2 yr^?1）。埃及红海沿岸城市拥有全球最高的DNI资源，但其同时面临水资源危机——中东和北非（MENA）地区的淡水供应预计到2050年将下降，海水淡化（如多效蒸发MEE）能耗高，但若与太阳能驱动和氢联产结合，可显著改善经济性。聚光光伏-热（CPVT）技术通过同时产生电力和热能，为集成多联产提供独特优势。然而，现有研究缺乏对CPVT与高效三结（C3JT）接收器在不同多联产拓扑下的全年动态比较，也未能评估从纯氢架构逐步扩展到包含MEE热淡化及电力输出的多联产系统的影响。因此，本研究旨在填补这一空白，通过开发MATLAB/SIMSCAPE动态仿真模型，在埃及三个海岸地点（胡尔加达、苏伊士、塞得港）比较不同接收器技术和多联产构型的技术经济性能，回答三个核心问题：（i）哪种接收器技术在各类构型中实现更高的年氢产量和系统效率？（ii）哪种多联产架构实现更低的平准化氢成本（LCOH）？（iii）哪种接收器技术、构型和地点的组合实现全球最低的LCOH？该论文发表在《Scientific Reports》。

**主要技术方法**
研究人员采用MATLAB/SIMSCAPE构建了集成聚光太阳能多联产系统的动态仿真平台，包含以下关键模型：①抛物面槽式集热器（PTC）光学模型，基于DNI、几何聚光比（CR_g=32）和光学效率计算入射功率；②CPVT接收器双二极管等效电路模型，考虑温度与辐照度对光生电流和饱和电流的影响；③C3JT接收器三结子电池串联双二极管模型，各子电池（GaInP、GaInAs、Ge）采用独立参数（如理想因子n_1,j、n_2,j和温度系数β_Voc,j），通过电流匹配和电压叠加计算总输出；④接收器热平衡模型，耦合电热输出与对流-辐射热损失，热损失系数U_L随风速和温度动态变化；⑤质子交换膜（PEM）电解槽电化学-热模型，包含能斯特可逆电位、活化过电位（阳极/阴极电荷转移系数α_x）、欧姆过电位（膜电导率σ_memb）和浓度过电位；⑥多效蒸发（MEE）淡化单元物理模型，采用SIMSCAPE两相流体库构建6效前馈系统，模拟蒸发-冷凝过程。仿真采用固定步长3600秒，使用METEONORM气象数据（含DNI、环境温度、风速、海水盐度），在胡尔加达、苏伊士、塞得港三个地点进行全年8760小时动态模拟。经济分析基于折现现金流法，计算LCOH时扣除淡水或电力联产收入。

**研究结果**
**太阳能资源与年发电量输出**
通过逐时模拟获得三个地点的气象参数：胡尔加达年DNI最高（1872.4 kWh m^?2 yr^?1），其次为塞得港（1798.8 kWh m^?2 yr^?1）和苏伊士（1752.9 kWh m^?2 yr^?1）。C3JT接收器年发电量比CPVT高约62–63%，且电池温度平均低约5°C，源于其更高的光电转换效率减少了废热。

**多联产-I：氢与淡水**
在年氢产量方面，C3JT（案例I-B）在所有地点比CPVT（案例I-A）提高57.1–57.7%，且该比例不随地点变化。热能输出方面，C3JT因电效率更高而可回收热量较少，导致MEE淡水产水量降低约29–31%（胡尔加达：I-A产660.0 t/yr，I-B产466.3 t/yr）。系统HHV效率范围为4.53–7.43%，C3JT构型比CPVT高约57–58%；苏伊士因风速最低、热损失最小而获得最高效率，尽管其DNI最低。

**多联产-II：氢与电力输出**
在案例II中，PEM电解槽仅使用MEE馏出液作为水源，电解所需电力少于接收器总发电量，剩余电力输出至电网。年氢产量较聚多联产-I降低约一个数量级（如胡尔加达案例II-A产63.9 kg/yr，II-B产100.1 kg/yr）。但HHV效率提升至4.77–8.12%，因为分母中计入输出电力，避免了电解过程转换损失。

**技术经济分析：平准化氢成本**
全球最低LCOH为2.909 USD/kg（胡尔加达案例II-B），比同一地点的多联产-I CPVT基线（案例I-A，4.317 USD/kg）降低32.6%。技术效应：C3JT接收器在各地点和构型中使LCOH降低16–17%。拓扑效应：从多联产-I到多联产-II的转变对LCOH的影响依赖地点和接收器技术——C3JT接收器在胡尔加达和苏伊士实现LCOH降低，但CPVT在塞得港的案例II-A（4.744 USD/kg）反而高于其多联产-I基线（4.523 USD/kg），原因是该地点日照时数最少、CPVT电输出低，导致电力收入信用不足以补偿氢产量塌缩。参数敏感性分析显示，总CAPEX和电价是影响LCOH的最敏感参数，而PEM电解槽成本影响甚微。与文献对比，本研究的LCOH（2.909–4.744 USD/kg）优于无联产的小型离网系统（39.5–43.1 USD/kg），且无需吉瓦级部署即可实现经济可行性。

**讨论与结论**
讨论部分指出，MEE热集成虽降低了系统至氢效率，但淡水收入信用完全弥补了该损失；电力输出仅在产生足够大收入信用时才有益，这需要高DNI、高接收器电输出或高电价。结论部分翻译如下：根据上述分析，相关文献缺乏包括CPVT/C3JT聚光接收器与PEM电解和MEE热淡化动态集成的研究。本研究对埃及三个红海沿岸地点的创新型太阳能驱动多联产构型进行了全年动态仿真比较分析，评估了两种聚光接收器技术和两种多联产架构。得出以下主要结论：
1. 在所有构型和地点中，C3JT接收器是更优的技术选择。GaInP/GaInAs/Ge三结接收器在多联产-I中实现7.12–7.43%的HHV系统效率，在多联产-II中实现7.77–8.12%，而CPVT接收器分别为4.53–4.71%和4.77–4.96%。这一57–58%的效率优势直接源于三结电池更宽的光谱吸收和更高的光电转换效率，并在每个地点和构型中转化为16–17%的LCOH降低。
2. MEE热淡化整合创造了真实的经济价值。将接收器热能输出分配给MEE单元降低了系统至氢效率，但淡水收入在所有情况下都恢复了这一损失，表明多联产-I在经济学上始终更优。
3. 电力输出可降低LCOH，但收益依赖于架构和地点。在胡尔加达，多联产-II案例II-B实现了全球最低LCOH（2.909 USD/kg），比多联产-I CPVT基线（案例I-A，4.317 USD/kg）降低32.6%。在苏伊士，案例II-B为3.441 USD/kg（降低24.0%）。然而，在塞得港，案例II-A的LCOH为4.744 USD/kg，高于其多联产-I基线4.523 USD/kg——这是数据集中唯一加入电网输出反而增加LCOH的例子。该异常由塞得港年日照时数最少导致电网输出量最小，以及CPVT接收器电输出最低共同造成，使收入信用不足以补偿氢产量分母的塌缩。这一结果明确了经济边界条件：只有当电力收入信用相对于资本成本结构足够大时，电网输出才能降低LCOH，这需要高电力输出量、高接收器电输出或两者兼有。
4. 全球最低LCOH 2.909 USD/kg在胡尔加达的多联产-II C3JT构型（案例II-B）中实现。该结果是两个贡献的复合结果：接收器从CPVT升级到C3JT的技术效应，以及在MEE多联产系统中加入电力输出收入的架构效应。
5. 地点选择与架构选择之间存在非平凡交互。胡尔加达以最高DNI和最长的日照时长，在所有构型中实现了全球最低LCOH（2.909 USD/kg）和最高的绝对氢产量。但其最高平均环境温度（25.78°C）和最高风速（5.958 m/s）增加了接收器热损失，使其单位太阳能输入的效率低于苏伊士。苏伊士尽管DNI最低，但因全年最低风速最大限度地减少了接收器对流损失，从而在所有案例中实现了最高的系统效率。塞得港呈现出最复杂的权衡：其最低平均环境温度理论上有利于性能，但该优势被高于苏伊士的风速和最少的年日照时数所抵消，导致累计氢产量相对于总太阳能输入较低，使其在搭配CPVT接收器时最不适合电网输出架构。然而，在C3JT接收器下，塞得港在所有构型中仍保持经济竞争力。未来工作应研究集成热能存储以实现非日照时段的MEE运行，并考察分时电价政策和可再生能源上网电价对多联产-II LCOH的敏感性，同时建议进行全面的火用分析以揭示子系统间的不可逆分布。