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 جديد هجين من مجمعات الطاقة الشمسية الحرارية الكهروضوئية 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 المتساوية للطاقة (LCOE)، والتكلفة المتساوية 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 المُحلل الكهربائي، ودرجة حرارة خلية الوقود، وعدد الخلايا - على أداء المخرج. أظهرت النتائج أنه مع ارتفاع درجة حرارة مدخل سائل التبريد من 4 درجات مئوية إلى 32 درجة مئوية، انخفضت كفاءة كلٍّ من PPVT-FC وmPVT-FC. انخفضت كفاءة PPVT-FC من 2.0 كيلوواط إلى 0.75 كيلوواط، وانخفضت كفاءة ?PVT-FC بنسبة 16% إلى 8%، بينما بقيت كفاءة QPVT-FC مستقرة عند حوالي 689.5 كيلوواط. تؤدي زيادة درجة حرارة مخرج سائل التبريد وكفاءة المُحلل الكهربائي إلى تحسين كفاءة 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 بذلك كفاءة قصوى تبلغ 18.06% عند معدل تدفق 0.5 كجم/ثانية. من الناحية الاقتصادية، يبقى LCOE ثابتًا عند حوالي 0.25 دولار/كيلوواط ساعة، بينما يتراوح 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 LCOE ولكنها تزيد من LCOH، مع تعزيز كبير في خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون والوفورات المالية، مما يُحقق خفضًا يصل إلى 350 طنًا من ثاني أكسيد الكربون وحوالي 900 دولار/ساعة في الوفورات. يقدم النظام المقترح حلاً مبتكرًا وفعالًا لإنتاج الكهرباء والحرارة والهيدروجين الأخضر (CPHH) بشكل متكامل.