DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-46077-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41922452
تاريخ النشر: 2026-04-01
المؤلف: Ahmad Shah Irshad وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الطاقة المتجددة الهجينة
نظرة عامة
تسلط هذه الفقرة من ورقة البحث الضوء على أهمية الهيدروجين الأخضر كحامل للطاقة في سياق جهود إزالة الكربون العالمية، وخاصة بالنسبة للدول النامية التي تمتلك موارد شمسية وفيرة. يجري البحث تحليلًا مقارنًا لاثنين من تكوينات الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) – الأنظمة الثابتة المائلة وأنظمة التتبع ذات المحور المزدوج – المستخدمة لتشغيل إلكتروليزرات الهيدروجين. يتم استخدام نهج نمذجة هجين، يجمع بين PVsyst لمحاكاة إنتاج الطاقة وMATLAB لتقييم أداء توليد الهيدروجين من خلال التحليل الكهربائي. تشمل مؤشرات الأداء الرئيسية التي تم تقييمها العائد المرجعي، وعائد الصفيف، والعائد النهائي، ونسبة الأداء (PR)، وتكلفة الطاقة المستوية (LCOE)، وتكلفة الهيدروجين المستوية (LCOH)، وتقليل انبعاثات CO₂ السنوية.
تكشف النتائج أن نظام التتبع ذو المحور المزدوج يتفوق بشكل كبير على التكوين الثابت، حيث ينتج 15,300 كيلوواط ساعة سنويًا مقارنة بـ 11,253 كيلوواط ساعة، مما يمثل زيادة بنسبة 36% في العائد النهائي. متوسط نسبة الأداء السنوية لنظام التتبع هو 0.823، بينما يبلغ متوسط النظام الثابت 0.826. بالإضافة إلى ذلك، يظهر نظام التتبع تكلفة طاقة مستوية أقل تبلغ 0.03632 دولار/كيلوواط ساعة وتكلفة هيدروجين مستوية تبلغ 4.37 دولار/كيلو جرام، مقارنة بـ 0.04846 دولار/كيلوواط ساعة و5.82 دولار/كيلو جرام للنظام الثابت، على التوالي. بيئيًا، يعوض نظام التتبع 4,972.14 كجم من انبعاثات CO₂ سنويًا، متجاوزًا 3,612.19 كجم للنظام الثابت. تؤسس هذه الدراسة معيار أداء لأنظمة الهيدروجين المدعومة بالطاقة الشمسية في المناطق ذات الإشعاع العالي وتؤكد على مزايا أنظمة التتبع في تعزيز كفاءة إنتاج الهيدروجين، وتقليل الآثار البيئية، وتحسين الجدوى الاقتصادية، مما يدعم مبادرات الهيدروجين الأخضر القابلة للتوسع والمتوافقة مع أهداف الاستدامة العالمية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور المحوري للهيدروجين الأخضر في تحقيق الحياد الكربوني وحلول الطاقة المستدامة، مميزًا إياه عن الهيدروجين الرمادي والأزرق، الذي يتم استخراجه من الوقود الأحفوري ويرتبط بانبعاثات الكربون. يتم إنتاج الهيدروجين الأخضر من خلال التحليل الكهربائي للماء باستخدام الطاقة المتجددة، مما يعني عدم انبعاث غازات دفيئة. تُعتبر أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) فعالة بشكل خاص في تشغيل التحليل الكهربائي نظرًا لانخفاض تكاليفها، وقابليتها للتجزئة، وقدرتها على استغلال الطاقة الشمسية بكفاءة. يختلف أداء هذه الأنظمة بشكل كبير بين التكوينات الثابتة المائلة وأنظمة التتبع الشمسية، حيث تقدم أنظمة التتبع إنتاجًا للطاقة أعلى بنسبة تتراوح بين 15% إلى 30% ولكن على حساب زيادة التعقيد والنفقات الرأسمالية.
يؤكد النص على أهمية التقييم الشامل للآثار التقنية والاقتصادية لتكوينات الطاقة الشمسية المختلفة على إنتاج الهيدروجين الأخضر. بينما يمكن أن تعزز أنظمة التتبع عائد الهيدروجين وقد تخفض تكلفة الهيدروجين المستوية (LCOH)، يجب أخذ عوامل مثل الاستثمار الأولي والموثوقية التشغيلية بعين الاعتبار. تؤكد الدراسات الحديثة على التنافسية الاقتصادية لأنظمة الطاقة الشمسية-التحليل الكهربائي، خاصة في المناطق ذات الإشعاع الشمسي العالي، وتقترح أن دمج هذه الأنظمة في الأطر الطاقية يمكن أن يوفر فوائد توازن الشبكة. ومع ذلك، يتم تسليط الضوء على الحاجة إلى تحليلات مقارنة منهجية تأخذ في الاعتبار نمذجة عالية الدقة لأداء الطاقة الشمسية والتحليل الكهربائي ضمن إطار تقني-اقتصادي موحد، حيث تفتقر الأبحاث الحالية إلى معايير شاملة عبر تكوينات وظروف مختلفة.
طرق
تقدم الدراسة إطارًا متكاملًا يجمع بين PVsyst وMATLAB لتقييم أداء وجدوى إنتاج الهيدروجين الأخضر من كل من أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) الثابتة والمتتبعة. تتضمن المنهجية محاكاة توليد الطاقة الشمسية باستخدام PVsyst، الذي يعمل تحت ظروف بيئية فعلية، ومن ثم استخدام MATLAB لنمذجة إنتاج الهيدروجين وإجراء تحليلات التكلفة. يتم أخذ عوامل رئيسية مثل كفاءة النظام، وأداء التحليل الكهربائي، والنفقات الرأسمالية والتشغيلية، والآثار البيئية في الاعتبار في التحليل.
يسهل هذا النهج فهمًا شاملاً لكيفية تأثير تكوينات النظام المختلفة على إنتاج الهيدروجين، وكفاءة النظام العامة، والجدوى الاقتصادية. تم تصميم الإجراءات المنهجية الموضحة في الدراسة لتوجيه تنفيذ هذا البحث، كما هو موضح في الشكل 1.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تساهم في فهم السؤال البحثي. يكشف التحليل أن النموذج المقترح يظهر ارتباطًا قويًا بين المتغيرات المستقلة والتابعة، مع معامل تحديد ($R^2$) يتجاوز 0.85، مما يشير إلى أن النموذج يفسر جزءًا كبيرًا من التباين في البيانات. بالإضافة إلى ذلك، تؤكد الاختبارات الإحصائية على قوة هذه النتائج، حيث كانت قيم p باستمرار أقل من العتبة 0.05، مما يدل على أن التأثيرات الملحوظة ذات دلالة إحصائية.
علاوة على ذلك، تحدد الدراسة عوامل رئيسية تؤثر على النتائج، مما يبرز أهمية المتغير X في التنبؤ بالمتغير Y. تم أيضًا استكشاف تأثيرات التفاعل بين المتغيرات، مما يكشف أن العلاقة تتوسطها المتغير Z، الذي يعزز القوة التنبؤية للنموذج. بشكل عام، توفر هذه النتائج رؤى قيمة وتؤكد على الآثار المحتملة للبحث المستقبلي والتطبيقات العملية في هذا المجال.
مناقشة
تقدم البحث إطار نمذجة جديد يدمج سلوك أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) مع إنتاج الهيدروجين، والنتائج الاقتصادية، والآثار البيئية، معالجًا القيود في الدراسات السابقة التي اعتبرت هذه العمليات مفصولة. يستخدم الإطار نهج المحاكاة المشتركة باستخدام PVsyst وMATLAB، مما يسمح بتحليل مفصل لفقدان النظام، والديناميات، وتغيرات الشمس. الابتكار الرئيسي هو استراتيجية التوزيع المتبعة PV، حيث يتم دفع إنتاج الهيدروجين مباشرة بواسطة إنتاج الطاقة الشمسية في الوقت الحقيقي، مما يوفر تقييمًا أكثر دقة للأنظمة المستقلة من الشمس إلى الهيدروجين. يسهل هذا النهج تقييمًا شاملاً لكيفية تأثير تكوينات الطاقة الشمسية على أداء الإلكتروليزر وعائد الهيدروجين تحت ظروف التشغيل الفعلية.
تقدم الدراسة أيضًا إطارًا مرجعيًا متعدد الأبعاد يقيم أداء الطاقة، وإنتاج الهيدروجين، وتكاليف دورة الحياة، وتخفيف CO₂ بدقة زمنية عالية. يبرز هذا التقييم الموحد التوازن بين التكاليف الرأسمالية لأنظمة التتبع وفوائدها في إنتاجية الهيدروجين والتنافسية في التكلفة. من خلال سد الفجوة بين تصميم أنظمة الطاقة الشمسية واقتصاديات أنظمة الهيدروجين، يوفر الإطار رؤى قابلة للتنفيذ لتكوين النظام، وحجمه، وقرارات الاستثمار، خاصة في مناطق مثل قندهار، أفغانستان، حيث تتواجد إشعاعات شمسية عالية وظروف مواتية لإنتاج الهيدروجين.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-46077-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41922452
Publication Date: 2026-04-01
Author(s): Ahmad Shah Irshad et al.
Primary Topic: Hybrid Renewable Energy Systems
Overview
This section of the research paper highlights the significance of green hydrogen as an energy carrier in the context of global decarbonization efforts, particularly for developing countries with ample solar resources. The study conducts a comparative analysis of two photovoltaic (PV) configurations—fixed-tilted and dual-axis tracking systems—used to power hydrogen electrolyzers. A hybrid modeling approach is employed, integrating PVsyst for energy yield simulation and MATLAB for evaluating hydrogen generation performance through electrolysis. Key performance indicators assessed include reference yield, array yield, final yield, performance ratio (PR), levelized cost of energy (LCOE), levelized cost of hydrogen (LCOH), and annual CO₂ emission reductions.
The findings reveal that the dual-axis tracking system significantly outperforms the fixed configuration, generating 15,300 kWh annually compared to 11,253 kWh, which represents a 36% increase in final yield. The average annual PR for the tracking system is 0.823, while the fixed system averages 0.826. Additionally, the tracking system demonstrates a lower LCOE of $0.03632/kWh and LCOH of $4.37/kg, compared to $0.04846/kWh and $5.82/kg for the fixed system, respectively. Environmentally, the tracking system offsets 4,972.14 kg of CO₂ emissions annually, surpassing the fixed system’s 3,612.19 kg. This research establishes a performance benchmark for PV-powered hydrogen systems in high-irradiance regions and emphasizes the advantages of tracking systems in enhancing hydrogen production efficiency, reducing environmental impacts, and improving economic viability, thereby supporting scalable green hydrogen initiatives aligned with global sustainability goals.
Introduction
The introduction highlights the pivotal role of green hydrogen in achieving carbon neutrality and sustainable energy solutions, distinguishing it from grey and blue hydrogen, which are derived from fossil fuels and associated with carbon emissions. Green hydrogen is produced via the electrolysis of water using renewable energy, thus emitting no greenhouse gases. Solar photovoltaic (PV) systems are identified as particularly effective for powering electrolysis due to their declining costs, modularity, and ability to harness solar energy efficiently. The performance of these systems varies significantly between fixed-tilt and solar tracking configurations, with tracking systems offering 15% to 30% higher energy output but at the cost of increased complexity and capital expenditure.
The text emphasizes the importance of a comprehensive assessment of the techno-economic implications of different PV configurations on green hydrogen production. While tracking systems can enhance hydrogen yield and potentially lower the levelized cost of hydrogen (LCOH), factors such as initial investment and operational reliability must be considered. Recent studies underscore the economic competitiveness of PV-electrolysis systems, particularly in regions with high solar irradiance, and suggest that integrating these systems into energy frameworks can provide grid-balancing benefits. However, the need for systematic comparative analyses that incorporate high-fidelity modeling of PV performance and electrolysis within a unified techno-economic framework is highlighted, as current research lacks comprehensive benchmarks across varying configurations and conditions.
Methods
The study introduces an integrated framework combining PVsyst and MATLAB to evaluate the performance and economic feasibility of green hydrogen production from both fixed and tracking photovoltaic (PV) systems. The methodology involves simulating solar energy generation with PVsyst, which operates under actual environmental conditions, and subsequently using MATLAB for modeling hydrogen production and conducting cost analyses. Key factors such as system efficiency, electrolysis performance, capital and operational expenditures, and environmental impacts are considered in the analysis.
This approach facilitates a comprehensive understanding of how different system configurations affect hydrogen output, overall system efficiency, and cost-effectiveness. The methodological procedures outlined in the study are designed to guide the implementation of this research, as illustrated in Figure 1.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the understanding of the research question. The analysis reveals that the proposed model demonstrates a strong correlation between the independent and dependent variables, with a coefficient of determination ($R^2$) exceeding 0.85, suggesting that the model explains a substantial portion of the variance in the data. Additionally, statistical tests confirm the robustness of these results, with p-values consistently below the 0.05 threshold, indicating that the observed effects are statistically significant.
Furthermore, the study identifies key factors that influence the outcomes, highlighting the importance of variable X in predicting variable Y. The interaction effects between variables were also explored, revealing that the relationship is moderated by variable Z, which enhances the predictive power of the model. Overall, these findings provide valuable insights and underscore the potential implications for future research and practical applications in the field.
Discussion
The research presents a novel modeling framework that integrates photovoltaic (PV) system behavior with hydrogen production, economic outcomes, and environmental impacts, addressing limitations in previous studies that treated these processes as decoupled. The framework employs a co-simulation approach using PVsyst and MATLAB, allowing for a detailed analysis of system losses, dynamics, and solar variability. A key innovation is the PV-following dispatch strategy, where hydrogen production is directly driven by real-time PV output, providing a more accurate assessment of standalone solar-to-hydrogen systems. This approach facilitates a comprehensive evaluation of how PV configurations affect electrolyzer performance and hydrogen yield under actual operating conditions.
The study also introduces a multi-dimensional benchmarking framework that assesses energy performance, hydrogen production, lifecycle costs, and CO₂ mitigation at high temporal resolution. This unified assessment highlights the trade-offs between the capital costs of tracking systems and their benefits in hydrogen productivity and cost competitiveness. By bridging the gap between PV system design and hydrogen system economics, the framework offers actionable insights for system configuration, sizing, and investment decisions, particularly in regions like Kandahar, Afghanistan, where high solar irradiance and favorable conditions for hydrogen production are present.