نظام هجين جديد من الخلايا الكهروضوئية/الحرارية والوقودية لتوليد الهيدروجين والحرارة والطاقة بكفاءة: تقييم تقني واقتصادي وبيئي

تقدم هذه المقالة تقييمًا تقنيًا واقتصاديًا وبيئيًا (3E) لنظام هجين جديد يجمع بين مجمع الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية وخلايا الوقود (PVT-FC) لإنتاج الكهرباء والحرارة والهيدروجين الأخضر (CPHH) بشكل متكامل. يتكون تكوين النظام من وحدات PVT، ومحلل كهربائي، وخلايا وقود (FCs)، وعاكس، وخزانات تخزين الماء والهيدروجين. تستخدم الدراسة برنامج MATLAB/Simulink? لتقييم العوامل التقنية والاقتصادية والبيئية، مما يعزز الكفاءة والقدرة التنافسية مقارنةً بأنظمة PV/FC التقليدية. تم تقييم مقاييس الأداء الرئيسية، بما في ذلك إجمالي توليد الطاقة (PPVT-FC)، وإنتاج الهيدروجين بكميات كبيرة (mPVT-FC)، وإجمالي ناتج الطاقة الحرارية (QPVT-FC)، وكفاءة النظام الكلية (?PVT-FC)، بالإضافة إلى التكلفة المستوية للطاقة (LCOE)، والتكلفة المستوية للهيدروجين (LCOH)، وإجمالي خفض انبعاثات الكربون (TCER)، والوفورات المالية المرتبطة بها. تم استكشاف تأثيرات معلمات النظام - درجات حرارة مدخل ومخرج سائل التبريد، ومعدل تدفق الكتلة، وكفاءة المحلل الكهربائي، ودرجة حرارة خلية الوقود، وعدد الخلايا - على أداء المخرج. وكشفت النتائج أنه مع ارتفاع درجة حرارة مدخل سائل التبريد من 4 درجات مئوية إلى 32 درجة مئوية، انخفض معدل كفاءة كل من PPVT-FC وmPVT-FC. وانخفض معدل كفاءة PPVT-FC من 2.0 كيلوواط إلى 0.75 كيلوواط، ومعدل كفاءة ?PVT-FC بنسبة 16% إلى 8%، بينما ظل معدل كفاءة QPVT-FC ثابتًا عند حوالي 689.5 كيلوواط. وتؤدي زيادة درجة حرارة مخرج سائل التبريد وكفاءة المحلل الكهربائي إلى تحسين كفاءة كل من mPVT-FC و?PVT-FC، لتصل إلى أقصى كفاءة لها وهي 18.06% عند معدل تدفق 0.5 كجم/ثانية. علاوة على ذلك، فإن زيادة درجة حرارة خلية الوقود من 40 درجة مئوية إلى 100 درجة مئوية تُحسّن بشكل كبير إجمالي ?PVT-FC وmPVT-FC، مما يُظهر التأثير المباشر للتنظيم الحراري على أداء النظام. تُظهر النتائج عند درجات حرارة مخرج مختلفة أن ارتفاع معدلات تدفق سائل التبريد وكفاءة المُحلل الكهربائي يُحسّنان إنتاج الهيدروجين وكفاءة النظام، محققين كفاءة قصوى تبلغ 18.06% عند معدل تدفق 0.5 كجم/ثانية. من الناحية الاقتصادية، يبقى متوسط ??تكلفة الطاقة المُستهلكة (LCOE) ثابتًا عند حوالي 0.25 دولار/كيلوواط ساعة، بينما يتراوح متوسط ??تكلفة الطاقة المُستهلكة (LCOH) بين 53 دولارًا/كيلوغرام و56 دولارًا/كيلوغرام مع ارتفاع درجة حرارة المخرج إلى 60 درجة مئوية. تُقلل زيادة عدد خلايا الوقود من 50 إلى 400 من متوسط ??تكلفة الطاقة المُستهلكة (LCOE) ولكنها تزيد من متوسط ??تكلفة الطاقة المُستهلكة (LCOH)، مع تعزيز كبير في خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون والوفورات المالية، محققةً خفضًا يصل إلى 350 طنًا من ثاني أكسيد الكربون وحوالي 900 دولار/ساعة من الوفورات. يقدم النظام المقترح حلاً مبتكرًا وفعالًا لإنتاج الكهرباء والحرارة والهيدروجين الأخضر (CPHH) بشكل متكامل.