使用固定与跟踪光伏系统生产绿色氢气的技术经济基准：PVsyst–MATLAB 集成分析

将阳光转化为清洁燃料

许多阳光充足的国家正在探索将光能转化为可为工厂、卡车甚至整个城市提供动力而不释放碳污染的清洁燃料的方法。本文研究如何最佳利用太阳能电池板生产绿色氢气——一种利用可再生电力从水中制得的燃料。通过比较两种常见的光伏安装方式——一种固定不动，另一种随太阳转动——研究人员展示了哪种配置在像阿富汗坎大哈这样阳光充足的地区能够以更低成本提供更多氢气。

两种捕捉阳光的方法

工作的核心是对两种光伏发电系统并列比较，这两种系统都为一种叫做电解槽的工业设备供电，该设备将水分解成氢气和氧气。在一种系统中，太阳能板按固定倾角安装；在另一种系统中，太阳能板安装在双轴跟踪结构上，可在全天面向太阳。两套系统的峰值容量相同，均为10千瓦，并且都将电力直接输送到仅在日照足够强时运行的制氢装置。这使得比较在没有电网支撑的远程独立绿色氢气项目中既公平又现实。

太阳能制氢厂的数字孪生

为了详细理解性能，作者构建了从阳光到氢气的整个链条的数字孪生。他们使用专业的太阳能设计工具按小时计算每种光伏配置在坎大哈全年会产生多少电量，考虑了当地的日照水平、温度和系统损耗。然后将这些电力曲线传入在 MATLAB 中构建的第二个模型，该模型将电力转化为氢气产出并统计设备生命周期内的成本。这种组合方法使他们能够追踪光伏侧的设计选择如何影响燃料产量、整体效率以及每单位能量的花费。

更多活动部件，显著更多能量

模拟结果表明，在光照充足的气候中，太阳能跟踪的收益显著。固定板每年约产生11,253千瓦时电量，而跟踪系统可达约15,300千瓦时，与相同额定容量相比提高约36%。可移动面板在冬季和夏季每天捕获有用阳光的小时数更多，因此使电解槽运行时间更长、更稳定。因此，年氢气产量由固定板约240千克提高到跟踪系统约320千克，尽管机械系统稍微更复杂并承受略高的内部损耗。

成本与碳足迹比较

额外的机械设备使得跟踪系统在建造和维护上更昂贵，但其提供的额外能量随时间足以弥补这些成本。当所有投资、维护和更换费用按全寿命输出分摊时，固定板发电的成本约为每千瓦时4.8美分，而跟踪系统将其降至约3.6美分。在燃料方面，绿色氢气的成本由固定板约每千克5.82美元降至跟踪系统约每千克4.37美元。由于跟踪系统产生更多清洁电力，它每年也避免了更多碳排放，防止的二氧化碳排放量近5公吨，而固定布局约为3.6公吨。

这对阳光充足地区意味着什么

对于想知道如何储存阳光并把它输送到需要之处的读者，这项研究给出清晰信息。在阳光充足且稳定的地区，使用跟踪光伏面板以水为原料制氢，能以更低的长期成本提供更多燃料，并比相同规模的简单固定面板系统减少更多碳污染。尽管跟踪器需要更高的前期投入和更精细的设计，但其跟随太阳的能力能更好地利用每平方米土地和每一美元投入。对于阳光充足的发展中地区的政策制定者和规划者而言，研究结果表明，智能的可移动光伏场与制氢单元相结合，可能成为未来清洁能源系统的实用骨干。

引用: Irshad, A.S., Hilali, A., Ahmadullah, A.B. et al. Techno-economic benchmarking of green hydrogen production using fixed and tracking PV systems: a PVsyst–MATLAB integrated analysis. Sci Rep 16, 15620 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46077-w

关键词: 绿色氢气, 太阳能跟踪, 光伏系统, 能源经济学, 二氧化碳减排