使用海鹰优化算法对基于氢的混合可再生能源系统进行多目标技术经济与环境优化

这对日常用能为何重要

在清洁能源转型中，一方面保持供电稳定，另一方面减少污染，是最大的挑战之一。太阳能电池板和风力发电机本身清洁，但输出随天气波动。本研究探讨将太阳能、风能与氢储能结合，如何在降低对人体健康的发电排放危害的同时，提供稳定且经济的电力。研究还测试了一种新的计算方法，以便在众多互相竞争的方案中找到最优设计。

构建更聪明的绿色电力组合

研究人员设计了一种将多种技术协同工作的混合可再生能源系统。太阳能电池板和风力涡轮机提供主力电源。当它们发电超过居民和企业需求时，过剩电能被送入电解槽分解水制取氢气并储存在储罐中。随后在日照和风力不足时，燃料电池使用这部分储氢再次发电。系统并入电网，电网可以购买余电或在需要时提供后备电力。此配置旨在平滑可再生能源的自然波动，同时确保全天候供电。

在成本与健康影响之间取得平衡

研究并非只关注电价或仅关注碳排放，而是同时对系统进行双目标优化。第一个目标是系统全寿命期的能源成本，包括设备、维护以及与电网的购售电费用。第二个目标是基于健康的度量，估算沿整个能源链的温室气体排放如何转化为对人类健康的损害，以损失的健康寿命年为单位表示。该度量不仅计入可再生设备的排放，更重要的是计入通常来自化石燃料电厂的电网电力所带来的排放。通过将成本与健康一并考虑，研究者寻找既经济又更有利于人类和环境的设计方案。

一种新的最优设计搜索方法

确定太阳能电池板、风力涡轮机、燃料电池、电解槽和氢罐的合适组合与规模，是一个具有大量可能组合的复杂问题。团队使用了一种新开发的搜索方法——海鹰优化算法，其灵感来自海鹰的捕猎行为。用计算术语来说，该方法先探索大量候选设计，然后优化最有前景的方案，同时避免陷入平庸解。算法在土耳其中安纳托利亚中部的真实气象与用电负荷数据上运行，逐小时模拟整整一年，并强制满足完备的可靠性要求，确保需求始终被满足。

哪种组合在实践中效果最好

研究比较了三种系统配置：太阳能—风能—燃料电池混合型；仅太阳能与燃料电池型；仅风能与燃料电池型。混合的太阳—风—燃料电池配置被证明最均衡。它在保持接近最廉价选项的低电价的同时，也带来了最小的排放健康影响。纯风或纯太阳的设计要么更便宜但污染更严重，要么更清洁但更昂贵并且更依赖电网。结果表明，太阳与风的协同分担、并以氢作为缓冲，可以提高可再生能源的占比、提升自给自足率并减少对以化石燃料为主的电网电力的依赖。

这对未来能源规划的意义

对非专业读者而言，主要信息是没有单一技术能独立解决一切。经过精心配比的太阳能、风能与氢储能组合，能够以具有竞争力的价格提供可靠电力，同时降低空气污染带来的健康风险。新的优化方法可帮助规划者权衡成本与健康之间的取舍，选择能够兼顾二者的合理方案。这类分析能为公用事业单位与决策者规划更清洁的电力系统提供指导，使其在保持电费合理的同时保护公众健康。

引用: Ermiş, S., Taşdemir, O. & Al-Hajj, R. Multi-objective techno-economic and environmental optimization of hydrogen-based hybrid renewable energy system using osprey optimization algorithm. Sci Rep 16, 15618 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45185-x

关键词: 混合可再生能源, 氢储能, 太阳能与风能, 能源优化, 排放的健康影响