DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.125852
تاريخ النشر: 2025-04-08
المؤلف: Mingyuan Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الطاقة المتجددة الهجينة
نظرة عامة
تقدم هذه الورقة البحثية تكاملًا جديدًا للألواح الشمسية من كادميوم تيلورايد (CdTe) مع إلكتروليزر غشاء تبادل البروتون (PEM)، معززًا بجهاز تتبع يهدف إلى تحسين إنتاج الطاقة الشمسية واستقرار النظام. تطور الدراسة وتتحقق من نماذج الإشعاع الشمسي، وأداء الألواح الشمسية، وكفاءة إلكتروليزر PEM باستخدام MATLAB-Simulink، مع خطأ نسبي متوسط (MAPE) قدره 2.46% لنظام التتبع وقيم MAPE تبلغ 1.02%، 3.23%، و4.33% لكفاءة الطاقة الكهربائية للألواح الشمسية، وكفاءة إلكتروليزر PEM، وكفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى هيدروجين (STH) على التوالي.
تشير النتائج الرئيسية إلى أن الإشعاع الشمسي يؤثر بشكل كبير على كفاءة النظام وإنتاج الهيدروجين. مع زيادة شدة الشمس من 200 واط/م² إلى 900 واط/م²، ترتفع الكفاءة الكهربائية من 13.87% إلى 14.05% قبل أن تنخفض إلى 13.79%، بينما يزيد إنتاج الهيدروجين لكل وحدة مساحة من 0.01137 لتر/دقيقة/سم² إلى 0.04185 لتر/دقيقة/سم²، مع انخفاض كفاءة STH من 9.45% إلى 8.66%. تؤثر درجة الحرارة المحيطة بشكل أساسي على الكفاءة الكهربائية للألواح الشمسية من CdTe، مع انخفاض من 14.28% إلى 13.93% مع ارتفاع درجة الحرارة من 15.0 °C إلى 29.0 °C، مما يؤدي إلى انخفاض مماثل في كفاءة STH. بالإضافة إلى ذلك، تحدد الدراسة ظروف التشغيل المثلى لإلكتروليزر PEM، مشيرة إلى أن زيادة درجة حرارة الإلكتروليزر تعزز كفاءته، بينما يؤثر الضغط المفرط على الكاثود سلبًا على الأداء. أخيرًا، تقترح الأبحاث أن زاوية الدوران القصوى لنظام التتبع يجب ألا تتجاوز 60° للحفاظ على مكاسب الكفاءة في إنتاج الهيدروجين.
مقدمة
تسلط مقدمة الورقة البحثية الضوء على الحاجة الملحة لمصادر الطاقة النظيفة والمتجددة بسبب الطلب المتزايد على الطاقة العالمية والتحديات البيئية التي تطرحها الوقود الأحفوري التقليدي. أدى الاعتماد على الفحم والغاز الطبيعي إلى استنزاف الموارد وانبعاثات كبيرة من غازات الدفيئة، مما يستلزم التحول نحو خيارات الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية، وطاقة الرياح، والطاقة الحيوية، والطاقة المدية. من بين هذه الخيارات، تعتبر الطاقة الشمسية واعدة بشكل خاص بسبب وفرتها والتقدم التكنولوجي. ومع ذلك، فإن الطبيعة المتقطعة للطاقة الشمسية تقدم تحديات لدمجها في أنظمة الطاقة، خاصة في سياق إنتاج الهيدروجين عبر إلكتروليزرات غشاء تبادل البروتون (PEM).
تناقش الورقة إمكانيات الهيدروجين كحامل طاقة نظيف، وخاصة الهيدروجين الأخضر المنتج من خلال التحليل الكهربائي للماء المدعوم بمصادر متجددة. تؤكد على التحديات التشغيلية التي تواجه إلكتروليزرات PEM تحت الإشعاع الشمسي المتقلب، مما يمكن أن يؤدي إلى تدهور الأداء وانخفاض الكفاءة. وثقت الدراسات السابقة الآثار السلبية لتقلبات الطاقة على أداء الإلكتروليزر، مما يبرز الحاجة إلى أنظمة إمداد بالطاقة مستقرة. تتضمن الحل المقترح نظام إنتاج هيدروجين جديد يدمج الألواح الشمسية من كادميوم تيلورايد (CdTe) مع جهاز تتبع الشمس وإلكتروليزر PEM. يهدف هذا النظام إلى تعزيز كفاءة إنتاج الهيدروجين، خاصة في المناطق التي تشهد تقلبات كبيرة في الإشعاع الشمسي، مع معالجة المعلمات التشغيلية الرئيسية التي تؤثر على أداء النظام. تمهد المقدمة الطريق للأقسام التالية، التي ستفصل مبادئ النظام، والتحقق من النموذج، وتأثير المعلمات المختلفة على الأداء.
الطرق
تشمل منهجية النمذجة المستخدمة في هذا البحث نهجًا منهجيًا لتحليل الظواهر الأساسية. تستخدم الدراسة مزيجًا من الأطر النظرية والمحاكاة الحاسوبية لاشتقاق رؤى حول سلوك النظام قيد التحقيق. يتم تعريف المعلمات الرئيسية، وتأسيس نماذج رياضية مناسبة لتمثيل العلاقات بين هذه المعلمات.
تشمل المنهجية تطبيق تقنيات إحصائية للتحقق من صحة النماذج، مما يضمن أن النتائج قوية وموثوقة. يتم إجراء تحليلات حساسية لتقييم تأثير الافتراضات المختلفة على النتائج، مما يعزز مصداقية النتائج. بشكل عام، تم تصميم نهج النمذجة لتوفير فهم شامل للديناميكيات المعنية، مما يسهل استنتاجات مستنيرة وتطبيقات محتملة للبحث.
النتائج
تقيّم قسم النتائج تأثير عدة معلمات رئيسية على أداء نظام إلكتروليزر غشاء تبادل البروتون (PEM). تشمل المعلمات التي تم تحليلها الإشعاع الشمسي، ودرجة الحرارة المحيطة، وضغط الكاثود، ودرجة حرارة PEM، وزاوية دوران الألواح الشمسية (PV). يتم تقديم تكوين مفصل لهذه المعلمات في الجدول 8، الذي يوضح النطاقات المحددة لكل عامل: يتراوح الإشعاع الشمسي من 200 إلى 900 واط/م²، وتتراوح درجة الحرارة المحيطة من 15 إلى 29 °C، ويتم ضبط ضغط الكاثود بين 1 و22 بار، وتمتد درجة حرارة PEM من 35 إلى 70 °C، ويتم ضبط زاوية دوران الألواح الشمسية من 0 إلى 70 درجة.
تعتبر هذه المعلمات حاسمة لتحسين كفاءة النظام والأداء العام. تشير النتائج إلى أن التغيرات في هذه العوامل يمكن أن تؤثر بشكل كبير على الفعالية التشغيلية لإلكتروليزر PEM، مما يبرز أهمية التحكم الدقيق وضبط هذه المتغيرات في التطبيقات العملية. سيوضح التحليل الإضافي للبيانات الظروف المثلى لتعظيم إنتاج الهيدروجين من خلال هذا النظام للطاقة المتجددة.
المناقشة
في هذا القسم، تناقش الأبحاث نمذجة الإشعاع الشمسي وأداء الألواح الشمسية من كادميوم تيلورايد (CdTe) وإلكتروليزرات غشاء تبادل البروتون (PEM). يستخدم نموذج الإشعاع الشمسي نظام إحداثيات أفقي لتتبع موقع الشمس من خلال زوايا الأفق والارتفاع، مما يسمح بحساب الإشعاع الشمسي المباشر والمشتت على الأسطح الأفقية والمائلة. تستخدم الدراسة نموذج ليو وجوردان المتساوي لتقييم توزيع الإشعاع الشمسي، بينما يتم تمييز أداء الألواح الشمسية من CdTe باستخدام نموذج ثنائي الصمام الواحد الذي يأخذ في الاعتبار معلمات مختلفة، بما في ذلك درجة الحرارة وشدة الإشعاع الشمسي.
تشير النتائج إلى أن الكفاءة الكهربائية للألواح الشمسية من CdTe تتأثر بشكل كبير بالإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة المحيطة. على وجه الخصوص، تزداد الكفاءة مع الإشعاع الشمسي حتى نقطة معينة قبل أن تنخفض بسبب ارتفاع درجات حرارة التشغيل. تسلط الدراسة أيضًا الضوء على تأثير ضغط الكاثود ودرجة الحرارة على أداء إلكتروليزر PEM، مشيرة إلى أن زيادة ضغط الكاثود تزيد المقاومة وتقلل الكفاءة، بينما تعزز درجات الحرارة الأعلى كفاءة التحليل الكهربائي. بالإضافة إلى ذلك، يتم فحص تأثير زاوية دوران الألواح الشمسية على كفاءة نقل الطاقة وإنتاج الهيدروجين، مما يكشف أن الزوايا المثلى للدوران يمكن أن تحسن الأداء العام للنظام، خاصة في ظروف الإضاءة المنخفضة. تؤكد النتائج على التفاعل المعقد بين العوامل البيئية وتصميم النظام في تحسين إنتاج الطاقة المتجددة وإنتاج الهيدروجين.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.125852
Publication Date: 2025-04-08
Author(s): Mingyuan Wang et al.
Primary Topic: Hybrid Renewable Energy Systems
Overview
This research paper presents a novel integration of Cadmium Telluride (CdTe) photovoltaic (PV) panels with a proton exchange membrane (PEM) electrolyzer, enhanced by a tracking device aimed at optimizing PV power output and system stability. The study develops and validates models for solar irradiation, PV performance, and PEM electrolyzer efficiency using MATLAB-Simulink, with a mean absolute percentage error (MAPE) of 2.46% for the tracking system and MAPE values of 1.02%, 3.23%, and 4.33% for PV electrical efficiency, PEM electrolyzer efficiency, and solar-to-hydrogen (STH) efficiency, respectively.
Key findings indicate that solar irradiation significantly influences system efficiency and hydrogen production. As solar intensity increases from 200 W/m² to 900 W/m², electrical efficiency rises from 13.87% to 14.05% before declining to 13.79%, while hydrogen production per unit area increases from 0.01137 L/min/cm² to 0.04185 L/min/cm², with STH efficiency decreasing from 9.45% to 8.66%. Ambient temperature primarily affects the electrical efficiency of the CdTe PV panels, with a decrease from 14.28% to 13.93% as temperature rises from 15.0 °C to 29.0 °C, leading to a corresponding drop in STH efficiency. Additionally, the study identifies optimal operating conditions for the PEM electrolyzer, noting that an increase in electrolyzer temperature enhances its efficiency, while excessive cathode pressure adversely affects performance. Finally, the research suggests that the maximum rotation angle for the tracking system should not exceed 60° to maintain efficiency gains in hydrogen production.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the urgent need for clean, renewable energy sources due to the increasing global energy demand and the environmental challenges posed by traditional fossil fuels. The reliance on coal and natural gas has led to resource depletion and significant greenhouse gas emissions, necessitating a shift towards renewable energy options such as solar, wind, biomass, and tidal energy. Among these, solar energy is particularly promising due to its abundance and technological advancements. However, the intermittent nature of solar energy presents challenges for its integration into energy systems, particularly in the context of hydrogen production via Proton Exchange Membrane (PEM) electrolyzers.
The paper discusses the potential of hydrogen as a clean energy carrier, particularly green hydrogen produced through water electrolysis powered by renewable sources. It emphasizes the operational challenges faced by PEM electrolyzers under fluctuating solar irradiation, which can lead to performance degradation and reduced efficiency. Previous studies have documented the adverse effects of power fluctuations on electrolyzer performance, highlighting the need for stable energy supply systems. The proposed solution involves a novel hydrogen production system that integrates Cadmium Telluride (CdTe) photovoltaic panels with a sun-tracking device and a PEM electrolyzer. This system aims to enhance hydrogen production efficiency, particularly in regions with significant solar irradiation variability, while also addressing key operational parameters that influence system performance. The introduction sets the stage for the subsequent sections, which will detail the system’s principles, model validation, and the impact of various parameters on performance.
Methods
The modeling methodology employed in this research involves a systematic approach to analyze the underlying phenomena. The study utilizes a combination of theoretical frameworks and computational simulations to derive insights into the behavior of the system under investigation. Key parameters are defined, and appropriate mathematical models are established to represent the relationships between these parameters.
The methodology includes the application of statistical techniques to validate the models, ensuring that the results are robust and reliable. Sensitivity analyses are performed to assess the impact of various assumptions on the outcomes, thereby enhancing the credibility of the findings. Overall, the modeling approach is designed to provide a comprehensive understanding of the dynamics at play, facilitating informed conclusions and potential applications of the research.
Results
The results section evaluates the influence of several key parameters on the performance of a Proton Exchange Membrane (PEM) electrolyzer system. The parameters analyzed include solar irradiation, ambient temperature, cathode pressure, PEM temperature, and the rotation angle of photovoltaic (PV) panels. A detailed configuration of these parameters is presented in Table 8, which outlines the specific ranges for each factor: solar irradiation varies from 200 to 900 W/m², ambient temperature ranges from 15 to 29 °C, cathode pressure is set between 1 and 22 bar, PEM temperature spans from 35 to 70 °C, and the rotation angle of the PV panels is adjusted from 0 to 70 degrees.
These parameters are critical for optimizing the system’s efficiency and overall performance. The findings suggest that variations in these factors can significantly impact the operational effectiveness of the PEM electrolyzer, highlighting the importance of precise control and adjustment of these variables in practical applications. Further analysis of the data will elucidate the optimal conditions for maximizing hydrogen production through this renewable energy system.
Discussion
In this section, the research discusses the modeling of solar irradiation and the performance of Cadmium Telluride (CdTe) photovoltaic (PV) panels and Proton Exchange Membrane (PEM) electrolyzers. The solar irradiation model utilizes a horizontal coordinate system to track the sun’s position through azimuth and altitude angles, allowing for the calculation of direct and diffuse solar irradiation on both horizontal and tilted surfaces. The study employs the Liu and Jordan isotropic model to assess the distribution of solar irradiation, while the performance of CdTe PV panels is characterized using a single-diode model that accounts for various parameters, including temperature and solar irradiation intensity.
The findings indicate that the electrical efficiency of CdTe PV panels is significantly influenced by solar irradiation and ambient temperature. Specifically, efficiency increases with solar irradiation up to a certain point before declining due to rising operating temperatures. The study also highlights the impact of cathode pressure and temperature on the performance of the PEM electrolyzer, noting that increased cathode pressure raises resistance and reduces efficiency, while higher operating temperatures enhance electrolysis efficiency. Additionally, the effects of the PV panel’s rotation angle on energy transfer efficiency and hydrogen yield are examined, revealing that optimal rotation angles can improve overall system performance, particularly in low-light conditions. The results underscore the complex interplay between environmental factors and system design in optimizing renewable energy generation and hydrogen production.