太阳能学报

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刘艳峰, 赵书年, 周勇, 庄照犇, 陈耀文, 刘怀灿

2022, 43(12): 1-12. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0623

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针对低纬度岛屿地区全年温度高、湿度大,空调全年运行时间长而常规能源运输成本高,传统高能耗空调系统难以适应的问题,提出一种利用深层海水供冷的闭式空调系统。根据换热特性的差异,将换热管道分为沿程垂直换热管道和海底换热盘管两部分,通过数值模拟研究管径、流速等参数对垂直管段和海底换热盘管段传热性能的影响。研究结果表明：垂直管段管径在0.6 m以内,流速在1~2 m/s范围可保证较高的换热性能;对于海底换热盘管段,最佳管径为0.025~0.050 m,最佳流速为0.4~0.8 m/s。在此基础上建立适用于垂直管段优化设计的费用年值数学模型,计算其比摩阻、流速,形成设计用水力计算表,并给出适用于海底换热盘管段工程设计的设计线算图及其修正公式。

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n型高效光伏组件发电性能研究

任涛, 韩一峰, 韩硕, 王乐, 王军, Lund Peter

2022, 43(12): 13-18. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0378

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该文基于海南某小型光伏电站测试项目,收集p型和n型2种光伏组件在2021年的发电量数据,对比分析这2种组件在不同月份下的单瓦日均发电量,验证n型光伏组件相较于p型组件发电效率方面的优越性。在光伏电站实际工作条件下测试辐照度和温度对2种组件发电性能的影响,结果表明：n型光伏组件弱光性能更好;在高温条件下有更多的发电量增益,证明n型光伏组件的热稳定性更好,与理论上n型光伏组件功率温度系数更小相符。通过研究2种组件在不同天气下的直流功率,发现n型光伏组件在辐照度突降的情况下也保持优越的发电性能。

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一步法制备高效TiO₂/PbS异质结量子点太阳电池

邢美波, 丁宪喆, 景栋梁, 李子睿, 王瑞祥

2022, 43(12): 19-24. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0738

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采用一步涂层法制备TiO₂/PbS异质结且带有不同浓度PbS量子点光吸收层的太阳电池器件。测试结果表明,用浓度为200 mg/mL的PbS量子点制备的太阳电池在AM1.5模拟光照下获得的能量转换效率（PCE）为9.08%,其开路电压（V_OC）为0.570 V、短路电流（J_SC）为29.6 mA/cm²、填充因子（FF）为0.539。研究证实了一步法的可行性与可靠性。与传统的层层旋涂法相比,一步涂层法具有操作过程简单、材料消耗少、制备薄膜质量好等优点,可用于大批量制备高效率量子点太阳电池。

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辐射导致的三结太阳电池损伤机理及在轨退化预计

彭超

2022, 43(12): 25-31. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0733

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针对中国产典型三结太阳电池开展质子/电子辐照试验,明确了三结太阳电池的辐射损伤敏感区域并建立太阳电池电学特性随位移损伤剂量的退化模型。基于TCAD仿真研究和验证三节太阳电池辐照后性能退化机制。结合蒙特卡洛仿真和地面辐照试验,探索将等效位移损伤剂量法用于三结太阳电池的在轨退化预计,计算典型中国产三结太阳电池在GEO轨道和LEO轨道在轨性能退化。

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基于PIR的并网逆变器低频次谐波抑制策略研究

李玉东, 黄鑫, 夏梓豪, 李佩峰

2022, 43(12): 32-40. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0690

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针对电网电压畸变造成并网电流低频次谐波含量较高的问题,提出一种基于比例积分-准谐振（PIR）与电流谐波检测环相结合和控制策略抑制电流谐波。首先分析并网逆变器原理,建立电流内环数学模型。基于内模原理,引入电网电压全前馈消除电网电压对网侧电流和影响,其次分析电流谐波检测与抑制原理,采用电流特定次谐波检测环对逆变器侧电流提取谐波分量,并采用闭环控制抑制电流谐波,利用伯德图对准谐振控制器参数进行设定。最后建立Matlab/Simulink仿真模型并搭建dSPACE-DS1104半实物仿真平台,分析仿真与实验结果来验证所提控制策略和有效性与可行性。

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光伏组件寿命衰退建模与寿命预测高斯随机过程回归方法研究

唐圣学, 宋晓, 李明, 姚帅亮, 陈丽, 孙志国

2022, 43(12): 41-49. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0687

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服役中光伏组件受到内部老化及外界环境影响,组件寿命衰减过程呈高度的非线性、随机性。针对光伏组件衰退机理及其过程,分析光伏组件衰退过程、衰退因子及其对光伏组串电池组件特性的影响,提出基于指数衰减的太阳电池衰退电路模型,并利用退化模型定量分析衰退因子对寿命预测指标输出功率的影响;进而,选取等效串联电阻和输出功率作为光伏组件寿命预测指标,提出综合输出功率和等效串联电阻的联合高斯随机过程寿命预测方法,并分析核函数和数据特性对寿命预测的影响。仿真与实例验证表明：所提寿命预测模型具有精度高、鲁棒性强的优点。

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光伏支架螺旋桩斜向拉拔承载特性试验研究

胡伟, 杨瑶, 刘顺凯, 林志, 吴秋红, 黄勇祥

2022, 43(12): 50-61. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0729

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针对光伏支架螺旋桩斜向荷载作用下承载特性认识不足,在砂土中开展大尺寸单锚片螺旋桩斜向拉拔载荷试验,研究荷载角度、埋深比对承载特性的影响规律,探究锚片表面的土压力强度分布变化规律,分析斜向拉拔承载控制机理。研究表明：1）荷载位移曲线一般表现为硬化型,荷载角度相同时,埋深比越大,拉拔极限荷载与相应位移均越大。埋深比相同时,荷载角度增加,曲线更显陡峭,极限荷载增大,极限位移则减小。2）分解后的荷载-水平位移曲线和荷载-竖向位移曲线特征差异显著,前者曲线完整、非线性发展充分。除竖向拉拔外,其他拉拔角度下竖向极限位移均远小于水平极限位移。3）斜向拉拔承载力T_U(a)与对应埋深比竖向拉拔承载力T_u(90°)之比与荷载角度之间具有很好的线性关系。4）锚片上的土压力强度均受两种锚土相互作用机制共同影响,最大土压力强度系数与埋深比和土体内摩擦角有关,可达被动土压力强度系数的近两倍。5）荷载角度[0°,65°],螺旋桩斜向拉拔承载性状由水平方向控制,在[65°,90°]则由竖直方向控制。斜向荷载竖向分量可提高螺旋桩水平方向的承载力,但在设计判别时可将其视为安全储备不予考虑。

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多输入交错并联Boost变换器功率分配控制策略

高圣伟, 王浩, 王议锋, 王忠杰, 陈博

2022, 43(12): 62-69. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0652

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针对功率分配底层功能提出一种新型控制策略,该控制策略在传统的双闭环平均电流均流法上加以改进。首先电流内环修改为功率内环,将电压外环的输出除以输入电压再乘以功率分配系数作为新的功率给定值来实现功率分配功能。同时将自抗扰技术应用到电压外环提高母线电压的响应速度。最后基于模块化思想并利用氮化镓功率开关器件,搭建一台三输入交错并联Boost实验样机,其额定功率为1500 W,额定工作频率为500 kHz,峰值效率为98.3%。实验验证结果表明,在相同输入电压或不同输入电压的情况下均能实现功率分配功能,并具有良好的动态响应。

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基于熵权TOPSIS模型的风电光伏发展潜力评估

杨春

2022, 43(12): 70-78. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0661

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当前中国新能源（特别是风电与光伏）发展存在宏观引导与长期规划不足的现象。如何准确地评估我国各地区的风电光伏发展潜力,从而科学地指导新能源健康有序发展是亟待解决的问题。为此,提出一种基于熵权TOPSIS的风电光伏发展潜力评估模型。首先,在考虑中国风电光伏能源发展特点与主要矛盾的基础上,构建风电光伏发展潜力的评估指标体系,并提出基于熵权法TOPSIS的风电光伏发展潜力评估模型;然后,使用该模型对中国31个地区的风电光伏发展潜力进行评估与分析;最后,根据各地区的评估分析结果与风电光伏发展特点,提出针对性的发展建议。

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基于GaN的准方波Boost变换器拓扑分析

王议锋, 王忠杰, 陈博, 王浩

2022, 43(12): 79-87. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0587

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基于实际太阳能无人机的应用背景,对其核心功率变换部分展开深入研究。通过在传统同步整流型Boost变换器基础上增加少量无源元件,利用电感电流的连续性,构造功率开关输出电容放电环节,在保证主功率电感电流纹波较小的情况下实现功率开关的零电压开通,克服传统同步整流型Boost变换器为实现软开关而工作于准方波模式下,电感电流纹波较大的问题,从而有助于延长无人机蓄电池组的使用寿命。从该拓扑的模态分析出发,对功率开关的零电压开通实现过程进行详细分析。此外,对变换器进行参数设计,总结整个变换器的主要损耗计算方法。最后,利用GaN功率开关器件,搭建一台额定功率为500 W的实验样机,并与相同工况下的同步整流型Boost变换器进行对比。实验结果与理论分析基本一致,峰值效率达到96%。验证了理论分析的准确性以及该拓扑的实际可行性。

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神经网络短期光伏发电预测的应用研究进展

贾凌云, 云斯宁, 赵泽妮, 李红莲, 王赏玉, 杨柳

2022, 43(12): 88-97. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0501

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准确的太阳能发电功率短期预测是保证电力调度和大规模光伏并网的关键。该文对近年来光伏发电功率短期预测研究进展进行综述,并对影响光伏发电功率的各种气象因素进行相关性分析。针对用于光伏发电短期功率预测的人工神经网络模型和深度学习模型进行总结和评述。太阳辐照度是影响预测模型精度的主要气象参数。在光伏发电功率短期预测中,神经网络及其组合模型均表现出较好的预测精度,但组合模型整体上优于单一预测模型。

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塔式太阳能热管接收器表面热流密度分布及光学性能研究

程堂华, 韩一峰, 蒋川, 王军, Lund Peter

2022, 43(12): 98-103. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0126

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该文设计一种用于小型塔式太阳能电站的热管接收器。基于蒙特卡洛光线追迹（MCRT）算法和混合编程方法,开发光学仿真程序。详细研究单根热管表面热流密度时空分布规律和热管接收器表面能量动态分布规律,并分析接收器瞬时光学性能。研究结果表明单根热管表面热流密度具有强烈非均匀性。夏至日正午,吸热面中心单根热管吸收能量约为6.9 kW。春分日和夏至日时,接收器最大光学效率约为75%;冬至日最大光学效率约为61%。研究结果有助于进一步研究热管接收器的光热耦合机理。

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分级相变储放热系统在日光温室中的应用效果

王冬晴, 庄云飞, 张滴滴, 程杰宇, 王平智, 赵淑梅

2022, 43(12): 104-111. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1192

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针对北方日光温室夜间室内低温问题,该文以收集利用温室内白天富余太阳能为目标,在理论分析相变材料特性的基础上,开发基于管材封装方式的两级相变储放热系统,并通过对比试验,在北京地区的日光温室中开展冬季应用效果试验。结果表明,所开发系统对冬季室内空气温度和土壤温度均有良好的增温效果。其中,空气温度方面,在试验周期内,试验温室夜间（17:00—次日08:00期间）平均室内气温比对照温室平均提高1.0 ℃,最低气温平均提高1.2 ℃;在晴天、多云不同天气条件下,试验温室的夜间平均气温分别提高1.3、1.2 ℃,最低气温分别提高1.5、1.7 ℃;在两天一夜未盖保温被的阴雪天气条件下,试验温室的室内气温全程高于对照温室,最大温差仍有1.9 ℃。在土壤温度方面,晴天和多云天气下,试验温室10和15 cm处的土壤温度平均提高0.6和0.8 ℃,研究表明所开发系统具有良好的持续储放热能力,能改善日光温室的冬季热环境。

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高效双通道型Trombe墙冬季热性能分析

李佩家, 刘慧芳, 余本东, 张铭驿, 王瑜

2022, 43(12): 112-118. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0758

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针对传统Trombe墙冬季供热效率不高、夏季过热等问题,提出一种高效双通道型Trombe墙系统,对该系统在冬季时的热性能和采暖效果进行实验研究。结果表明,高效双通道型Trombe墙热效率是传统Trombe墙的1.6~3.4倍,室内温度相比于传统Trombe墙可升高0.7~5.7 ℃。其中,当总通道厚度为0.5 m,外通道为0.2 m,隔热板形状为凹凸板时热效率最高为31%,此时室内温度可达21.7 ℃。此外,在实验研究基础上建立高效双通道型Trombe墙的传热模型,并验证其准确性。

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杂质氯离子对新型四元硝酸盐腐蚀性的影响

高祺, 鹿院卫, 于强, 宋文兵, 吴玉庭

2022, 43(12): 119-123. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0754

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为了探究低氯离子含量（0.01%~0.05%,质量分数）对熔盐与金属材料腐蚀过程的影响,该文采用失重法研究316L不锈钢与氯离子质量分数为0.01%、0.03%、0.05%的混合硝酸盐的腐蚀行为。结果发现,在经过360 h的腐蚀实验后,316L不锈钢在氯离子质量分数为0.03%的熔盐中具有最小的失重量,其为0.4381 mg/cm²。采用SEM、EDS、XRD等方法对316L不锈钢表面形貌进行分析,结果表明,在添加氯离子后不锈钢的腐蚀产物中出现Ca（OH）₂,在Ca（OH）₂的形成过程会消耗氢氧根离子,从而降低了不锈钢失重量。

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含CSP电站的风光火储联合外送系统优化配置

梅惠, 高丙团, 曹泽宇, 陈宁

2022, 43(12): 124-133. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0747

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为解决中国西北地区的新能源消纳问题,提出一种含CSP电站的风光火储联合外送系统优化配置方法。首先,根据风光火储的互补特性建立含CSP电站的风光火储联合外送系统的典型架构,并分析其工作机制;其次,结合拉丁超立方抽样以及基于时序自相关和互相关的时序重构、时序组合和场景择优,生成考虑时序自相关和互相关性的随机场景集;接着,以计及碳排放成本的系统收益和系统新能源消纳能力最优为多目标,构建含CSP电站的风光火储联合外送系统多目标优化配置模型,并通过增广ε-约束法结合商用软件CPLEX进行求解;最后,以西北某地区2025年电网规划数据构造的算例进行仿真,验证了该配置方法能有效提高系统收益,促进风光消纳,提高系统电力送出能力。

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耦合太阳能的燃气轮机动态性能与控制特性研究

杨丽波, 段立强, 陈彪

2022, 43(12): 134-143. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0739

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为深入研究耦合太阳能对燃机动态特性的影响,建立耦合太阳能的燃气轮机以及相应控制系统的动态模型。分析槽式集热器不同耦合方式对系统稳态性能的影响以及受到外界负荷及太阳直射辐射（DNI）扰动时各参数的动态响应,研究槽式集热器金属热容对系统动态特性的影响,针对比例积分（PI）控制,研究相应参数对系统调节效果的影响。结果表明,采用集热器布置在回热器前时,系统的排气温度相对较高,但系统效率会相对较低,受到外界负荷扰动时,系统响应更加迅速,采用集热器布置在回热器后时则可得到更高的燃料节省量;DNI变化时2种方式的系统响应速度相同;当集热器金属热容较小时,系统的响应时间主要受控制系统及回热器惯性影响,随着热容增加,调节集热器惯性参数为改变系统动态响应时间的最有效方式;比例系数K_p与积分系数K_i应合理选取,过大或过小均会使系统失调的危险性提高。

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平屋顶槽式聚光器风压分布的概率特性研究

邹琼, 王潮, 曾轩, 赵玉龙, 唐浩宇, 刘毅超

2022, 43(12): 144-153. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0726

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通过风洞实验对平屋顶槽式聚光器的镜面风压进行测量,通过高阶矩与风压时程曲线和概率密度直方图对镜面风压分布的概率特性进行了分析;得到镜面风压分布的高斯判别标准,并给出典型工况下的镜面高斯区域划分。然后通过Sadek-Simiu（SAD）法计算出聚光器的极值风压系数,给出典型工况下的极值风压系数等值线图,并对极值风压系数分布规律和特征进行分析,镜面风压极值最大值出现的主要区域为镜面边缘角落区域,极值风压系数最大值出现的工况为仰角30°风向角45°,其值为6.136。

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基于太阳能的甲烷重整制氢技术研究进展

雷宇, 袁熹, 王颖, 黄璟, 刘宇

2022, 43(12): 154-160. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0715

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该文对近年来有关太阳能甲烷重整制氢技术的研究进行回顾。首先从甲烷重整反应制氢的工艺流程及其热力学与动力学特性角度,介绍甲烷重整反应的基本特点。其次,从高效、低成本催化剂体系开发以及新型反应器性能研究等两个方面重点回顾近年来关于太阳能甲烷重整技术的研究进展。最后,从高效催化剂开发研究、新型反应器设计以及制氢成本控制等方面,给出基于太阳能的甲烷重整制氢技术的未来发展方向。

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波纹板太阳能集热器吸热板表面太阳辐照度分布特性研究

邓希, 沈国民, 徐新华

2022, 43(12): 161-165. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0683

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采用蒙特卡洛射线追踪法,研究不同季节和安装角度等关键参数对波纹板太阳能集热器与平板太阳能集热器吸热板表面太阳辐照度的影响,并对得到的数据进行分析。模拟结果显示,在相同安装角度下,波纹板太阳能集热器吸热板表面太阳辐照度比平板太阳能集热器大。二者相差的百分比随光线对集热器的入射角而变化,入射角较小时,相差的百分比较大。90°安装时,冬季波纹板太阳能集热器累积辐照度比平板太阳能集热器提升6.2%,夏季二者接近。40°安装时,冬季和夏季波纹板太阳能集热器累积辐照度分别比平板太阳能集热器提升7.1%和6.9%。

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基于螺旋盘管蓄热装置放热实验研究

方桂花, 刘颖杰, 王峰, 谭心

2022, 43(12): 166-171. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0659

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基于恒定螺距螺旋盘管蓄热装置并进行装置改进,设计出渐变式螺旋盘管蓄热装置,并探究盘管内换热流体（HTF）在不同迪恩数（De）、入口温度下的PCM放热性能。研究表明：入口温度一定时,De增大会缩短放热时间,且在不同入口温度下渐变式螺距放热时间较恒定螺距缩短,从而提高放热效率。

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太阳能压气机系统优化及实验研究

王洁, 文鑫, 苑中显, 王泽鹏, 刘一默

2022, 43(12): 172-178. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0637

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针对太阳能空气压气机结构优化问题进行实验研究,测试并分析压缩空气罐内加装扰流风机之后的加热、冷却特性及太阳能利用率的变化情况。实验结果表明,在风机风速2.0~6.7 m/s的变化范围内,存在一个最佳风速使得太阳能热机效率最高,其冷却系数从0.34~0.44提升至0.78~0.84,压气机在冷却之后的吸气能力也显著提升。以名义太阳能利用率来衡量,风机+肋化吸热管结构相比于不设置风机的肋化吸热管或光滑吸热管结构有大幅提高,提高幅度在10.8%~145.8%之间,风机强化传热效果明显。

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附着液滴的玻璃层太阳辐射传递模型

王衍金, 熊金涛, 杨伟彬, 贺方艺, 王倩, 吕智海

2022, 43(12): 179-185. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1603

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针对液滴和玻璃层的太阳辐射传递特点,提出附着液滴玻璃层的太阳辐射传递模型。将入射的太阳辐射进行直散分离,基于蒙特卡洛射线追踪法对直射辐射光学性能进行计算,同时将入射角进行离散,分别在各角度范围内采用蒙特卡洛射线追踪法的直射辐射原理计算散射辐射光学性能。为了对模型进行验证,通过实验测试液滴覆盖率和太阳入射角对附着液滴玻璃层光学性能的影响,并与模型计算结果进行比较。结果表明：实验结果与计算结果差别较小,总透过率最大误差仅约为0.05,模型的准确性较高。附着液滴的玻璃层能有效降低太阳辐射透过率,且太阳辐射透过率随液滴覆盖率的增大而减小,随入射角的增大而减小。

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天气类型对逐时太阳总辐射模型适应性的影响

于瑛, 郭佳豪, 姚星, 杨柳

2022, 43(12): 186-193. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0616

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将分解模型（decomposition model）按照输入参数、构造方法及特性分为3类,选择拉萨、西安、上海2016年辐射观测值作为实验数据,引入精确度分值（accuracy score, AS）作为模型适应性评判标准,研究晴、多云、阴3种天气类型下分解模型适应性规律以及针对不同天气类型适应模型形式。结果表明天气类型对模型的适应性有显著影响,即由晴到阴模型整体适应性呈下降趋势;当天气特别晴朗时第Ⅱ类模型适应性明显优于其他两类模型,而对于其他天气类型第Ⅰ类的C.P.R模型适应性最好。利用天气类型适应模型,3个地区全年逐时总辐射误差平均可减小3%,平均绝对误差百分率（PMAE）在20%~25%之间,均方根误差百分率（PRMSE）在26%~32%之间。可见利用天气适应模型能够有效减小估算误差,逐时总辐射数据精度能够满足建筑节能设计需求。

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长期循环荷载作用时单桩式海上风力机结构自振频率的影响规律研究

孙毅龙, 许成顺, 翟恩地, 杜修力, 杨钰荣

2022, 43(12): 194-199. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0379

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基于FLAC^3D有限差分计算平台,建立风力机结构自振频率数值计算模型,并与工程监测的自振频率数据进行对比验证模型的有效性;然后通过嵌入土体刚度衰减模型（DSM）,考虑长期循环荷载对地基刚度的影响;探讨不同大小的循环荷载、不同的循环加载次数对海上风力机结构体系自振频率的影响规律,提出自振频率衰减公式;最后结合既有的风力机结构体系自振频率简化计算方法,建立单桩式海上风力机长期自振频率简化评价方法。结果表明,循环荷载的增大、加载次数的增加会导致海上风力机结构体系自振频率较小;风力机结构体系的设计自振频率应偏移3P,以保证海上风力机的长期运营安全。

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计及恶劣天气约束的海上风能波浪能资源分布研究

张艺三, 胡松, 王芳

2022, 43(12): 200-205. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1056

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基于ERA5和全球海洋波浪再分析资料,统计分析2005—2019年间110°E~130°E、15°N~35°N海域的恶劣天气事件时空分布特征,在剔除恶劣天气时段下,对风能密度、波浪能密度、风能变异系数和波浪能变异系数进行分析。结果表明：2005—2019年间恶劣天气事件整体呈递增趋势,季节性差异大;总体上深远海海域恶劣天气出现时段比近海多,南海北部恶劣天气事件出现时段最多;在剔除恶劣天气时段后,东海深远海存在风能丰富且波浪能较密集的海域,台湾海峡以南近海风能丰富且稳定,但波浪能不密集且不稳定,南海北部近海海域波浪能比深远海更密集且更稳定,这与不剔除恶劣天气时段情况下波浪能分布特征存在较大差异。

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基于AVMD和WDK的风电齿轮箱轴承复合故障诊断方法研究

孔晓佳, 孟良, 许同乐, 袁伟, 袁茂军, 孙砚飞

2022, 43(12): 206-213. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0778

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针对强背景噪声下轴承微弱复合故障特征提取困难的问题,提出一种基于自适应变分模态分解（AVMD）和优化的Wasserstein距离指标（WDK）的风电齿轮箱轴承复合故障诊断方法。首先,引入自适应学习粒子群优化算法（ALPSO）,以平均包络熵作为ALPSO的适应度函数来搜索变分模态分解的最佳影响参数,从而构造AVMD;其次,结合Wasserstein距离（WD）和峭度优点,提出WDK指标筛选有效模态分量,并对筛选的有效模态分量进行重构;然后,通过对重构信号进行包络谱分析实现轴承复合故障的诊断;最后,将所提AVMD-WDK方法应用于某风场2 MW风电齿轮箱轴承振动信号的故障诊断。结果表明,该方法能有效提取轴承的微弱故障特征,实现轴承复合故障的精确诊断。

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一体化运输安装船系泊状态下运动响应分析

丁红岩, 高扬, 张浦阳, 冯尊涛

2022, 43(12): 214-219. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0757

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通过MOSES软件对运输安装船建立三维模型并模拟多种抛锚方式,对系泊状态下的船体进行时域分析。研究不同海况下不同数量锚链、不同抛锚方式的运动响应。结果表明,锚链数量及抛锚方式会影响浮体运动响应;8根锚链且交叉抛锚方式是最有利的系泊布置方式,纵摇、纵荡、垂荡加速度等运动响应均优于其他抛锚方式。

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基于UDE的虚拟同步发电机功频振荡抑制策略

陈建, 任永峰, 云平平, 薛宇, 胡志帅, 米玥

2022, 43(12): 220-226. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0750

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针对分布式发电并网逆变器采用虚拟同步发电机(VSG)技术引起的功频振荡问题,提出基于不确定性和扰动估计器(UDE)的功频振荡抑制策略。对功角稳定机理以及功频振荡特性进行深入分析,建立基于不确定性和扰动估计器的有功环振荡抑制控制模型。该控制方法将外部扰动和不确定性用集总扰动来代替,采用一阶低通滤波器对该集中扰动进行估计,利用滤波带宽思想实现对功频振荡的抑制效果,具有较好的系统鲁棒性。最后,通过时域仿真实验验证了所提振荡抑制策略的有效性。

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基于SMA的大型风力机叶片振动被动控制研究

曾令旗, 孙双双, 王永哲

2022, 43(12): 227-235. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0749

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将SMA粘贴在大型风力机叶片的表面形成新的智能叶片结构,并探讨伪弹性SMA对叶片的振动抑制效果。采用SolidWorks与Excel软件相结合的方法建立风力机叶片三维壳体模型,基于ANSYS ACP模块对含SMA的复合材料叶片进行铺层设计,并验证该模型;考虑叶片的弯扭耦合效应及重力影响,基于有限元理论建立含SMA的运动学方程,采用模态叠加法求解其静态响应、谐响应及随机振动。分析结果表明：由于SMA的存在,不同静态载荷作用下,SMA的应力-应变之间均形成封闭的滞后环;将叶片的固有频率移向更高的频率,各阶模态对应的振幅明显降低。在振动能量带宽0.5~2.4 Hz的范围内,含有SMA层强化的风力机叶片振动能量响应值降低更为显著。

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基于数据融合的风电变桨系统故障预警研究

韩万里, 茅大钧, 蔡晔, 沈晓峰, 王辉, 郑真, 陆坡燕

2022, 43(12): 236-241. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0748

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随着风电机组装机容量的不断攀升,同时带来并网发电率低、机组故障率高等缺点,导致风电机组整体利用率较低。为此提出一种基于数据融合的风电变桨系统故障预警方法。首先结合SCADA系统中的运行统计信息和历史数据,采用Relief特征参数选择方法筛选出与风电变桨系统故障相关的特征参数;然后采用数据融合的方法,建立基于MSET技术的风电变桨系统故障预测模型,并采用滑动窗口法进行故障预警阈值的确定;最后以上海某风场1.5 MW双馈异步风电机组进行实例分析,结果表明该方法可提前发现风电变桨系统故障征兆,实现对风电变桨系统的早期故障预警。

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基于雅可比旋量的风电机组驱动链装配误差分析

张永亮, 黄琪元, 王书楠, 卞松成

2022, 43(12): 242-247. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0740

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为了对风电机组中的驱动链系统进行装配误差分析,以雅可比旋量理论为基础,建立综合考虑局部并联尺寸的雅可比旋量模型。首先运用几何杠杆原理将驱动链装配中所涉及的并联尺寸链转化为串联尺寸链,然后建立装配体的小位移旋量和雅可比矩阵进行误差计算。最后,利用该方法对某型号的风电机组驱动链系统进行装配误差分析,对比误差实测数据表明：并联尺寸链的计算精度远远优于传统雅可比旋量矩阵。

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融合维纳过程和粒子滤波的风力发电机轴承剩余寿命预测

丁显, 徐进, 黎曦琳, 滕伟, 宫永立

2022, 43(12): 248-255. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0737

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提出维纳过程与粒子滤波相结合的滚动轴承剩余寿命预测方法,将维纳过程引入粒子滤波状态空间模型,充分利用其随机增量性质,增强模型的非线性表达能力,提高预测的准确性。提出弱跟踪粒子滤波策略调整维纳过程,解决概率密度分布方差过大的问题。该方法在试验台轴承和风力发电机轴承测试数据中均得到验证,可准确预测轴承剩余寿命。

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随机风浪作用下漂浮式风力机MTMD振动控制研究

韩东东, 王文华, 李昕

2022, 43(12): 256-264. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0735

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基于多体动力学理论,通过二次开发,基于FAST-SC建立漂浮式风力机-多重调谐质量阻尼器（MTMD）耦合振动控制模型FAST-SC-MTMD。以驳船式海上风力机为研究对象,基于线性调频优化方法完成布置于机舱和平台位置的TMD参数设计。以漂浮式风力机结构运动响应控制率为评价指标,研究在随机荷载激励下将TMD和MTMD应用于在驳船式风力机的减振效果。研究发现,采用机舱和平台同时布置MTMD的减振控制策略,可有效降低驳船式风力机塔基荷载和运动响应。

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时滞分数阶直驱风力发电机模糊混沌控制

杨莉, 黄天民, 黄苏丹

2022, 43(12): 265-272. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0728

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为研究含有状态时滞的分数阶直驱风电系统（D-PMSG）混沌控制问题,提出模糊记忆状态反馈控制策略。首先,利用T-S模糊理论和分数阶微积分理论建立D-PMSG时滞系统模糊混沌模型;其次,基于并行分布补偿（PDC）控制技术,设计出模糊记忆状态反馈控制器;然后,利用Lyapunov稳定性理论和分数阶微积分性质,基于Schur补引理,以线性矩阵不等式（LMI）形式给出系统渐近稳定的充分条件;最后,利用Oustaloup滤波器逼近分数阶微积分算子,搭建仿真模型,验证该系统模型的正确性及控制方案的有效性,与无记忆状态反馈控制器相比,模糊记忆状态反馈控制器具有更好的控制性能和鲁棒性能。

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基于Attention-GRU风速修正和Stacking的短期风电功率预测

杨国清, 刘世林, 王德意, 王文坤, 刘菁

2022, 43(12): 273-281. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0712

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针对使用数值天气预报（NWP）数据进行风电功率预测时,NWP风速与实际风速存在偏差导致预测精度欠佳,提出一种基于注意力机制（Attenion）门控逻辑单元（GRU）数值天气预报风速修正和Stacking多算法融合的短期风电功率预测模型。首先,分析NWP预报风速和实际风速的皮尔逊相关系数,建立Attention-GRU风速修正模型,提高预报风速精度。其次,考虑风向、温度、湿度、气压、空气密度等气象因素,基于Stacking框架,提出融合XGBoost、LSTM、SVR、LASSO的多算法风电功率预测模型,同时采用网格搜索与交叉验证优化模型参数。最后,选取西北和东北两个典型风电场数据进行验证,算例结果表明,所提出模型能改善NWP风速精度并提升风电功率预测效果。

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基于分支限界法的火电机组负荷分配研究

胡尊民, 刘克天, 于国强, 史毅越, 汤可怡

2022, 43(12): 282-288. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0706

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针对大规模新能源并网调峰问题,提出不同调峰阶段火电机组负荷分配方法：分析火电机组调峰能力、调峰成本及二者之间的关系;以总煤耗成本、机组启停成本之和最小为目标,建立不同调峰阶段火电机组负荷分配优化模型;根据火电机组爬坡率、滑坡率,提出参与负荷分配机组的组合策略,并使用分支限界法对负荷分配优化模型求解。算例表明,随着火电机组调峰深度的增加,机组煤耗成本和启停成本减少,深度调峰运行下附加煤耗成本和机组损耗成本增加。

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局部冲刷作用后海上风电桶型基础破坏包络面特性研究

唐汉枫, 陈旭光, 刘金忠

2022, 43(12): 289-299. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0699

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基于有限元软件单元生死功能模拟局部冲刷坑的形成,并联合使用Swipe加载法和固定位移比法,研究局部冲刷后桶型基础在竖向荷载V、水平荷载H及弯矩M复合加载下的承载能力变化。结果表明：局部冲刷作用对桶型基础水平和弯矩极限承载力削弱程度明显;V-H和V-M这2种复合加载模式下,增大竖向荷载V会提高桶基水平和弯矩极限承载力;局部冲刷后V-H和V-M破坏包络线具有相似曲线形状,据此提出数学表达式;H-M复合加载下桶基在第一象限内的破坏包络线呈单调递减趋势,且随着冲刷深度增加其承载能力呈抛物线趋势下降。通过单调及二维复合加载明确了冲刷作用后桶型基础承载力变化,进一步绘制出冲刷深度S_d=0.2D工况下V-H-M三维破坏包络面,可为实际工程中冲刷作用后桶型基础受复合荷载时的承载状况提供参考。

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基于生成对抗网络多变量风电时间序列异常值处理

徐昊, 王永生, 许志伟, 武煜昊, 陈振

2022, 43(12): 300-311. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0685

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将孤立森林算法应用于风电数据的异常值检测,利用改进的GRUI神经单元基于WGAN网络进行缺失值插补。在内蒙古风电场的真实数据集上验证了所提方法的有效性,并与KNN、GAN等方法进行对比,验证了模型的有效性,具有更好的插补精度。

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改进的双馈风电机组故障穿越控制策略研究

凌禹

2022, 43(12): 312-319. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0682

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基于传统矢量控制技术,该文提出一种改进的矢量控制技术来抑制双馈感应电机故障期间的转子过电流,以提高双馈风电机组故障穿越能力。从分析传统矢量控制技术入手,提出一种改进的矢量控制技术,其主要特点是反映定子电压瞬态对转子电流的影响,但并未增加控制的复杂程度。从理论的角度对所提方案能提高双馈风电机组故障穿越能力的机理进行深入分析。最后,对基于PSCAD/EMTDC软件环境下搭建的2 MW双馈风电机组模型进行仿真研究。仿真结果表明所提方案能有效抑制双馈感应电机故障期间的转子过电流,从而提高双馈风电机组的故障穿越能力。

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基于田口试验方法和CFD相结合的振荡翼捕能性能的优化研究

吴旭, 朱建阳, 董璐, 谢鹏

2022, 43(12): 320-326. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0680

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为了提升振荡翼的捕能性能,该文采用田口试验和CFD相结合的方法,对决定振荡翼捕能性能的5个特征参数进行优化。结果表明：振荡翼的特征参数对其捕能性能具有重要影响,最优和最差参数组合下振荡翼捕能效率相差137.84%。俯仰中心位置对振荡翼捕能效率影响最大,在试验样机设计中应优先考虑;所研究的5个特征参数对振荡翼捕能性能的影响程度依次为：x_p/c>θ₀>翼型相对厚度>h₀/c>f^*。通过对不同参数组合振荡翼的流场分析发现,特征参数优化的振荡翼产生的涡流始终吸附在翼型表面,从而使振荡翼获得较好的升力特性,进而在升沉运动中捕获更多的能量。

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塔架对风轮旋转过程中声场及流场的影响探究

邵明雪, 高志鹰, 苏日娜, 张翠青, 汪建文

2022, 43(12): 327-335. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0671

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基于压力脉动与声压之间的关系,利用Fluent数值模拟平台对风力机旋转过程中整机和单转子的声场和流场进行分析。对比2种模型的最大声压级位置,发现由于塔架的介入,整个模型的声场落后于流场约30°。分析塔旁y轴负向测点处压力脉动与声压级第1个峰值对应的方位角,结果发现在y/R=0.14、y/R=0.42、y/R=0.71与y/R=1时声压级（SPL）分别落后于压力脉动22°、5°、9°与18°。分析风力机旋转过程中两种模型塔附近监测点的声压级与压力脉动的变化趋势,结果表明：声压级振幅沿展向先增大后减小,在y/R=0.71处达到最大值;同样,在y/R=0.71时压力波动幅度最大。

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非对称锯齿结构对叶片气动声学性能的影响

李一枭, 陈坤, 高瑞彪, 冯文慧, 许宁

2022, 43(12): 336-343. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0656

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为降低水平轴风力机叶片的气动噪声,受鸮类静音飞行能力的启发,提取鸮类翅膀羽毛的非对称锯齿结构,并重构于风力机叶片尾缘处。采用大涡模拟（LES）和FW-H方程对改型叶片和原型叶片的流场及声场特性分别进行研究。同时通过改变非对称锯齿尾缘的结构参数,以探究不同锯齿夹角、锯齿宽度和锯齿间距对非对称锯齿尾缘的降噪效果的影响。结果显示：非对称锯齿尾缘具有较好的降噪效果,尤其是在低频和中频区域,总声压级最多可降低10 dB。当锯齿夹角分别为30°、40°和50°时,随着锯齿夹角的增加,噪声声压级在多数方位角下呈增加的趋势;锯齿宽度分别为10、12.5和15 mm时,随着锯齿宽度的增加,噪声声压级在多数方位角下明显降低;锯齿间距的改变,对0°方位角下的噪声声压级影响显著。而从涡分布图中可发现,非对称锯齿尾缘未改变叶片表面涡脱落的位置,但会减小涡结构和涡强度,增大涡间距,从而抑制噪声的产生。

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建筑外形对建筑顶面风力机微观选址的影响

侯亚丽, 李荣阳, 邸建琛, 汪建文, 栗广浩

2022, 43(12): 344-352. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0636

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针对城市建筑环境内的风能应用问题,利用CFD方法对4种不同建筑外形的高层建筑物顶面风场湍流特征进行研究,开展建筑外形对风向变化的敏感性分析,并分析4种建筑物顶面风速、湍流强度随高度的变化规律,确定4种建筑外形的建筑顶面风力机的合理安装位置和高度,结果表明：具有圆润曲线外形的2类建筑更利于风力机的安装,风力机的安装高度可更低;建筑物的长轴和短轴越接近,顶面越有利于风力机的安装;4种建筑外形的建筑顶面安装风力机时仅考虑U/U₀≥1的有利安装高度H_u即可保证风力机的有效输出功率和运行安全;无盛行风向情况下,4种建筑物的中心区域更有利于风力机安装,风力机的安装高度最低,圆柱体、椭圆体、正方体及长方体建筑物顶面中心区域风力机最低安装高度分别为1.05H、1.09H、1.11H及1.14H。

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水泥土复合单桩水平承载性能模型试验研究

韦古强, 何子睿, 刘广东, 胡从川, 高鲁超

2022, 43(12): 353-359. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0632

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为研究水泥土复合桩水平承载性能,开展水泥土复合桩水平承载性能模型试验,对比分析水泥土加固前后单桩极限承载力、桩身弯矩和桩周土抗力变化规律;考虑桩周土径向非均质性来修正初始地基反力模量和极限土抗力,提出一种适用于水泥土复合单桩水平承载性能的简化p-y曲线模型,并与试验结果进行对比,验证该简化p-y曲线模型的合理性。结果表明：相比未加固桩,加固桩极限承载力得到明显提高,2种加固宽度下单桩极限承载力分别提高5.34倍和2.68倍;无论加固桩或未加固桩,桩身弯矩随荷载和深度变化趋势大致相同,最大弯矩点位置不同,加固桩最大弯矩点位于泥面附近;水泥土加固有效提高桩身土抗力,进而提高桩基水平承载性能;对比试验结果发现,该文计算值与实测值均吻合较好,验证了该简化计算方法的合理性。

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基于VMD-WPE和SSA-ELM的短期风电功率预测研究

刘栋, 魏霞, 王维庆, 叶家豪

2022, 43(12): 360-367. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0629

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针对风电功率序列非线性、非平稳性特点,提出一种变分模态分解（VMD）-加权排列熵（WPE）和麻雀算法（SSA）优化极限学习机（ELM）的混合风电功率预测模型。首先,采用VMD技术将原始序列分解为多个固有模态分量,再采用WPE技术将各分量重组成若干个复杂度差异较大的子序列。然后,利用启发式SSA算法对ELM的参数进行优化,建立风电功率预测优化模型。最后,采用西北某风电场实际数据对所提模型进行验证。结果表明,与其他模型相比,所提模型提高了预测性能。

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涡流发生器形状对DU91-W2-250翼型动态失速的影响机理分析

冯俊鑫, 赵振宙, 刘惠文, 孟令玉, 陈明, 江瑞芳

2022, 43(12): 368-374. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0611

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以DU91-W2-250翼段为研究对象,分析不同形状涡流发生器（VGs）对动态失速的影响规律。结果表明：改变VGs形状参数对增升效果影响较大,对减阻效果影响较小,矩形VGs增升减阻效果更佳。从作用机理看,影响流动控制的主要是VGs流向涡涡流强度。矩形VGs气动性能提升效果明显最佳。矩形VGs流向涡在x/c=0.30~0.50范围内边界层内外流动掺混剧烈,抑制流动分离效果更佳。

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一种新的风电场复杂下垫面场地校准模型

胡子武, 李丙才, 刘伟民, 郑玉巧

2022, 43(12): 375-382. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0606

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针对现有方法模型简单、气象因素考虑不足和缺少异常数据检测等问题,提出一种基于相对密度离群因子（relative RDOF）异常检测和支持向量回归（SVR）组合的场地校准模型。首先,通过RDOF与四分位法对测风塔与风电机组距下垫面相同高度风速间的风速比进行异常数据检测,间接实现风速预处理;同时,根据测风塔与风电机组相同高度风切变序列的相关性,动态引入大气稳定度等级,与多种常规自然因素共同作为模型输入。然后,建立SVR场地校准模型修正风速。最后,通过算例验证,并与国际电工委员会（IEC）标准方法进行对比。结果表明,该方法可有效提升场地校准模型的风速修正精度。

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基于分数阶LCL滤波器的风力发电网侧控制研究

李啸骢, 罗雪丽, 侯立亮, 徐俊华

2022, 43(12): 383-391. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0601

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为提高并网电能质量,提出采用分数阶PI（PI^λ）控制器来实现网侧控制、采用分数阶LCL（FOLCL）滤波器进行滤波的方案。首先通过理论推导得出FOLCL滤波器能从根本上避免谐振的特性,然后建立网侧逆变系统分数阶数学模型,并推导分数阶双闭环控制结构,最后在网侧引入PI^λ控制器并对其参数进行设计。仿真实验结果表明：FOLCL滤波器可从根本上避免谐振;所设计的FOLCL滤波器效果明显优于传统的整数阶LCL（IOLCL）滤波器;所建全分数阶逆变并网系统各项指标均明显优于传统方案。

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基于奇异值分解与卡尔曼滤波修正多位置NWP的短期风电功率预测

王丽婕, 刘田梦, 王勃, 郝颖, 王铮, 张元鹏

2022, 43(12): 392-398. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0597

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考虑到数值天气预报网格点位置和系统误差对短期风电功率预测精度的影响,提出一种基于奇异值分解与卡尔曼滤波修正多位置数值天气预报的短期风电功率预测模型。首先通过奇异值分解对多位置数值天气预报数据进行特征提取与降维处理;然后使用卡尔曼滤波方法修正数值天气预报风速数据,降低数值天气预报的系统误差;最后基于极端随机森林算法,利用修正的数值天气预报数据搭建短期风电功率预测模型。通过对某风电场进行仿真,并与单位置、未降维、未修正模型比较,结果表明降维修正模型的预测效果最好,平均误差和均方根误差分别为7.94%和9.96%。

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海上风电厚壁筒型基础刃脚优化试验及下沉阻力研究

练继建, 郑宏杰, 杨旭, 赵昊

2022, 43(12): 399-406. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0385

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通过在筒裙端部加装刃脚进行减阻,并通过试验寻找最优的刃脚体型,同时利用任意拉格朗日欧拉方法（ALE）进行筒型基础下沉全过程数值模拟。结果表明：在厚壁筒型基础端部加装刃脚可有效减小端阻力,在砂土中下沉时,最优的刃脚体型为60°夹角,通过试验对比,证明理论公式计算端部压力的可行性;ALE数值方法可模拟试验模型下沉过程,误差在20%以内。最后,利用ALE数值模拟,分析刃脚端面和斜面应力分布,并且研究土质参数对刃脚结构下沉阻力的影响。

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不同类型漂浮式风电场内机组塔基载荷研究

刘颖明, 崔家平, 王晓东, 郝睿, 张鹏波, 王瀚博

2022, 43(12): 407-414. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0364

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构建基于NREL 5 MW 风电机组的海上固定式风电场和不同类型的漂浮式风电场,考虑不同类型风电机组尾流特性、平台漂浮特性的差异,在不同工况下对风电场内机组动力学响应进行仿真计算。通过时域分析与箱线图分析,对风电场内各位置处机组在风、浪、尾流联合作用下的塔基载荷进行对比研究。结果表明：在相同工况下,Spar式风电场内机组风轮与平台位移值、塔基载荷在来流方向上最大;在中低风速下,风电场内机组塔基载荷相差较大;高风速时,塔基载荷相近;随着风速的增大,漂浮式机组塔基载荷呈先增大后减小的规律。

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极端海况下附配重系泊漂浮式风力机响应分析

李蜀军, 刘青松, 李春, 闫阳天

2022, 43(12): 415-422. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0280

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为提高风波作用下平台稳定性并降低系泊拔锚风险,提出对Barge平台系泊添加配重的新型系泊系统。基于辐射/绕射理论和有限元方法,对比系泊添加配重前后Barge平台动态响应、系泊受力及躺地长度变化,并研究配重位置的影响。结果表明：在保证系泊安全的前提下,添加配重可有效降低平台纵荡、垂荡及纵摇响应并增加系泊躺地长度;当配重距锚点约160 m时,平台纵荡响应最小且躺地长度最大,纵荡、垂荡及纵摇响应幅值分别减小41.9%、20.4%及11.8%。此外,1~4号系泊躺地长度为未加配重时的12.9、2.0、1.9及0.9倍,张力略有增大,但仍在安全范围内;1号系泊（迎风浪侧）躺地长度最小,拔锚风险最高,4号系泊（背风浪侧）添加配重后其躺地长度缩短,拔锚风险增加。

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废油脂固体催化加氢制备生物航油的研究进展

杨玲梅, 罗文, 付俊鹰, 吕鹏梅, 王忠铭

2022, 43(12): 423-431. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1136

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综述近年来油脂固体催化加氢脱氧/异构裂解为生物航油组分的研究现状,详细介绍在油脂加氢反应中所需的金属中心和载体在反应中的作用机制及油脂加氢转化的现状和反应体系,并详细介绍固体催化剂在油脂加氢反应中的催化性能。此外,综述油脂加氢反应中加氢脱氧、加氢异构反应途径及反应机理。

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北方农村复合颗粒燃料取暖全生命周期评价研究

江靖宇, 刘予涵, 庞雨桐, 陈禹昕, 郭飞宏, 姜小祥

2022, 43(12): 432-438. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0734

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以秸秆和煤为原料制备复合颗粒燃料,利用全生命周期评价方法,研究颗粒燃烧取暖全生命周期过程中的能源消耗和环境影响。结果表明：颗粒燃料取暖全生命周期过程中能量投入为908 MJ/t,燃烧释放热量15490 MJ/t,能量产出投入比为17.1,能源转化效率较高。颗粒燃料的能量投入主要来自玉米种植,种植过程中的氮肥使用消耗较多能量。对气候变化（GWP）和酸化（AP）贡献较大的清单数据为颗粒燃料的燃烧,其中燃烧污染物排放的直接贡献最大,贡献率分别为53.22%和46.08%;对水资源消耗（WU）贡献较大的清单数据为颗粒燃料的压制,贡献率为71.56%;对富营养化潜值（EP）贡献较大的清单数据为颗粒燃料燃烧后的废渣排放,贡献率为43.40%。

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稻壳水热炭化学结构和燃烧特性及动力学分析

刘耀鑫, 王恩宇, 阚泽, 朱婧文, 张小辉

2022, 43(12): 439-445. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0727

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以稻壳为原料,利用水热碳化技术结合元素分析和热重法,考察水热反应强度对水热炭化学结构和燃烧特性及动力学的影响。结果表明：1）随着反应强度参数（lg R₀）的增大,水热炭整体挥发分和氧元素质量分数呈减少趋势,而C元素质量分数则逐渐增加,当水热反应强度lg R₀为4.90~6.19时,参数变化尤为显著,lg R₀为6.19时,C元素和O元素的质量分数分别为50.5%和21.3%,O/C和H/C原子比分别为0.32和1.21;2）相对于原料,水热炭的燃烧损失集中在固定碳和挥发分燃烧阶段,着火和燃尽温度均有小幅上升;3）当lg R₀由3.25增至6.49时,挥发分燃烧损失减小,固定碳燃烧损失增大,着火与燃尽温度呈整体向高温区转移的趋势,综合燃烧特性指数（S_N）呈先增加后减小的趋势;4）固定碳燃烧段活化能低于挥发分燃烧段,本次采用的动力学模型分析水热炭燃烧动力学结果可靠,相关系数（R²）均在0.92以上。

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低共熔溶剂对甘草渣的预处理研究

陈小燕, 王帆, 王艳玲, 余强, 王忠铭, 袁振宏

2022, 43(12): 446-452. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0673

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以甘草渣为研究对象,9种氯化胆碱为氢键供体的低共熔溶剂（DES）作为溶剂,对甘草渣进行预处理,研究不同反应温度与反应时间对甘草渣理化特性的影响。醇类DES中,乙二醇/氯化胆碱的预处理效果最好,在150 ℃,1 h条件下最大木质素脱除率为38.33%。酸类DES中,乳酸/氯化胆碱在100 ℃,1 h处理条件下木质素脱除率最高为40.87%,纤维素保留率高达95.28%。碱类DES中,乙醇胺/氯化胆碱在4 h,150 ℃处理条件下木质素脱除率最大为73.02%。物理表征结果说明,DES可破坏纤维素分子内氢键,断开碳水化合物与木质素的酯键,使纤维素可及表面积增大,有利于后续利用。

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油松林木废弃物热压成型颗粒介质传热、传力特性研究

张颖男, 张静, 郑德聪, 吴锴, 张秀全

2022, 43(12): 453-463. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0672

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该研究旨在确定油松热压成型微观机理,并用宏观试验验证微观结果。选取离散元软件EDEM进行微观仿真模拟,用C++语言编写对应的传热应用程序设计（API）,实现热压成型仿真。结果表明：颗粒位移、接触力随应变变化,在形变约为0.5时,逐渐由弹性变形转变为塑性变形阶段,模具内颗粒位移逐渐一致,整体呈现较为杂乱的状态,无上下层颗粒之分,接触力在此处突然激增。生物质成型所受应力越大接触力越杂乱,相互交错程度越明显。模具内颗粒温度上升速率的快慢与微观接触程度有关,宏观压缩程度越大,温度上升速度越快;热量传递的速度与温差相关,然而最终所需传热时间相近。

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爆炸冲击波联合碱预处理提高玉米秸秆糖化率的研究

黄菊, 徐艳, 史小琴, 彭海全, 李烨

2022, 43(12): 464-468. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0635

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采用爆炸冲击波联合碱处理的方法来提高玉米秸秆的酶解糖化效率。选择爆炸初始压力、碱用量和碱处理温度及时间等主要影响因素,进行单因素和正交试验以获得最优的处理工艺条件。预处理后的秸秆中分别加入2 mg/g（酶/秸秆）的纤维素酶和半纤维素酶,进行酶水解反应5 d,采用高效液相色谱（HPLC）测定其中葡萄糖和木糖浓度从而计算糖化率。结果表明,对糖化率影响程度从大到小依次为碱处理温度、碱用量、碱处理时间和爆炸初始压力。当采用最优实验条件：初始压力550 kPa、碱浓度为8% NaOH、碱处理温度为100 ℃、碱处理时间为60 min,玉米秸秆糖化率可达0.643。爆炸冲击波-碱联合处理玉米秸秆比单纯使用碱处理时,糖化率可提高8%~12%。

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波能利用型圆筒透空堤水动力特性实验研究

何方, 唐晓, 潘佳鹏, 赵嘉俊

2022, 43(12): 469-475. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0152

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将波能装置与防波堤等海洋结构物相结合,将有助于提升其经济性,促进其应用。以一定间距平行排布多个圆筒振荡水柱装置（OWC）形成波能利用型圆筒透空堤,并基于二维波浪水槽物理模型实验对其水动力特性展开研究,重点关注筒间距、OWC吃水、波高对于波浪防护和波能转换的影响规律。结果表明：圆筒较为紧密排布时,高效波能转换的波频范围显著拓宽;较浅OWC吃水在获得近似波浪防护效果的同时波能转换性能更佳;波浪防护效果及波能转换性能受波高影响较小。波能利用型圆筒透空堤在实际应用时,应采用较小的筒间距和OWC吃水,以同时兼顾较好的波浪防护效果和波能转换性能。

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不等截面串联双管浮体模型波浪能量转换特性研究

覃梓真, 吴必军, 张芙铭

2022, 43(12): 476-481. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0764

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提出一种具有后弯管和直通管2种工作模式的新型振荡水柱装置,并通过水槽实验来探讨做功方式、波周期、波高及质量等因素对该装置从波浪能到气动能量转换的影响。水槽实验表明,当模型工作在后弯管模式下,气室中气流双向做功时,规则波中的俘获宽度比（CWR）最高可达138.6%,随机波中的CWR最高可达94%;气流单向做功时,规则波中CWR最高可达113.7%,随机波中CWR最高可达81.9%。当模型工作在直通管模式下,气流双向做功时,规则波中CWR最高可达81.1%,随机波中CWR最高可达66.2%;气流单向做功时,规则波中CWR最高可达53.9%,随机波中CWR最高可达42.1%。模型在随机波实验中后弯管、直通管工作模式的CWR峰值分别能达到“巨鲸号”的3倍、2倍,显然模型的后弯管工作模式具有更高的能量转换特性。

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不同纵荡幅值下浮式水平轴叶轮的水动力性能分析

张成林, 刘安东, 王世明, 谢双义

2022, 43(12): 482-488. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0741

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为研究浪流联合环境对于浮式潮流能水轮机性能的影响,对均匀来流环境下施加波浪激励下的水平轴获能叶轮进行水动力分析。结合ANSYS-Fluent流体仿真软件并对其进行二次开发,采用重叠网格法建立均匀来流时浮式获能叶轮受迫运动的水动力分析模型,模拟S型双向潮流能叶轮在不同幅值的纵荡运动时的水动力性能,并结合实际水槽试验对计算结果的准确性进行验证。分析结果显示：纵荡激励使获能叶轮周边的流场速度产生明显的瞬时波动,且获能叶轮受力载荷的波动幅值会因纵荡激励作用的增强而升高;叶轮尾流场的流速变化和流线的变化伴随纵荡幅值的增大而增大,但流场的均匀度伴随纵荡幅值的增大而降低。

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人工鱼礁-波浪能模块化浮体耦合动力响应分析

李延巍, 莫文渊, 任年鑫, 于悦凯

2022, 43(12): 489-494. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0647

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为综合利用海洋空间资源、生物资源以及可再生能源,该文提出一种基于张力腿平台的新型六边形浮体、浮式人工鱼礁以及波浪能装置（WEC）的集成结构系统。基于势流理论,并考虑六边形浮体与浮式人工鱼礁之间的多体水动力耦合效应和机械耦合效应,建立该集成结构系统的耦合时域分析模型。对浮式人工鱼礁和波浪能装置的主要设计参数进行初步优化,重点研究该新型集成结构系统在典型海况下的动力响应和波浪能发电特征,揭示了外侧浮式人工鱼礁可有效减弱作用于内侧六边形浮体结构的波浪载荷,并产生可观的波浪能能源供给。此外,还进一步验证了该集成结构系统在极端海况下的安全性能。

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数据驱动的潮流能水轮机叶片翼型性能保真替代计算模型对比研究

胡振辉, 袁鹏, 司先才, 刘永辉, 王树杰, 周迎

2022, 43(12): 495-502. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0596

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在对翼型Bezier-PARSEC参数化软件FanOpt的应用方式改进后建立数据集,以翼型升阻比特性为目标,分别利用支持向量回归（SVR）、决策树、随机森林回归、全连接神经网络、一维卷积神经网络等机器学习模型进行拟合,训练模型比较拟合精度。结果表明,全连接神经网络、一维卷积神经网络作为替代计算模型在测试集上对升阻比的预测准确率可达97.86%,但相比于一维卷积神经网络,全连接神经网络在处理这种结构不复杂的数据集时更有优势。

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中深层地热地埋管实际运行影响因素研究

张哲菲, 刘洪涛, 刘攀峰, 陈宏飞, 杨富鑫, 谭厚章, 李国平

2022, 43(12): 503-509. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0604

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为研究中深层地热地埋管运行的影响因素,分析西咸新区中深层地热地埋管供暖系统的长期运行结果,并结合关中地区地质数据,建立深度为2510 m的中深层地埋管换热器全尺寸模型,采用数值模拟法研究实际岩层分布下地埋管的运行、结构和材料因素对其取热能力的影响。结果表明,西咸新区某项目1号地埋管和2号地埋管两个地埋管,其平均取热功率均在310 kW以上,具有优良的取热能力。地埋管进水温度随季节变化明显,并引起用户侧负荷及热泵回水温度的波动。在结构方面,随内管径由63 mm增至125 mm,平均出口水温和换热功率分别降低1.9%和4.8%,但内管径过小将影响内管运行的安全性,综合安全和换热两方面因素,最佳内管径应选取ϕ110 × 10mm规格;随外管径由168.3 mm增至244.5 mm,平均出口水温和换热功率分别增加3.5%和9%,综合成本和换热两方面因素,最佳外管径应选取ϕ 177.8 × 19 mm规格;在运行方面,地埋管出口水温随着流量的增加而减小,换热功率随着流量增加而增加;出口水温随着进水温度的升高而上升,换热功率也随之减小。在材料方面,减小内管导热系数和增加固井材料导热系数均能增加地埋管出口水温和换热功率,考虑换热功率变化和成本因素,在工程中导热系数为0.42 W/（m∙K）的内管和导热系数为3 W/（m∙K）左右的固井材料。

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岩溶地区特殊地质条件对U型地埋管换热器的传热影响研究

杨斌, 裴鹏, 罗婷婷, 郝定溢, 王沉

2022, 43(12): 510-519. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0602

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以南方岩溶地区地下水丰富为前提,利用多含水层渗流提高地埋管的换热能力。该文利用有限元软件建立三维单U型换热孔数值模型,利用相关指标分析有无含水层时地源热泵系统的换热效果研究。结果表明：蓄能岩土体内有无含水层多种情况时,U型管出水口平均温度呈现N1>A1>A2>AF1>AF2;AF2、AF1、A2和A1情况下的平均延米换热量分别比N1高49.87%、44.06%、39.51%、31.93%;AF2、AF1、A2和A1情况下的平均COP分别比N1高4.35%、3.93%、3.52%、2.67%。在地下水丰富区域应合理布置换热孔,提升热泵系统运行效率,对实际工程项目可提供一定的指导。

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非反向Buck-Boost变换器的多模式定频双向ZVS控制策略

贾磊磊, 孙孝峰, 潘尧, 王洪龙, 王武博, 李昕

2022, 43(12): 520-530. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0688

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非反向Buck-Boost变换器在可再生能源发电系统、储能系统等电压变化范围较宽的场合得到广泛应用。传统四边形控制方法,能实现非反向Buck-Boost变换器各开关管的ZVS,但存在如下问题：1）大的电感电流引起的较大的导通损耗;2）各模式之间切换引起的输出电压波动;3）需要离线预先计算,使用多维查找表和线性插值法,无在线检测实时计算的闭环,整体控制复杂。该文提出的多模式定频双向ZVS充放电控制策略,解决了以上3个问题。首先,提出多模式定频ZVS恒压放电控制策略,不需要添加任何额外的有源或无源器件,通过将整个宽输入电压范围分成3个模式,并独立分析每个模式的特点,可增加控制条件以简化计算过程,同时实现各模式的在线实时恒压闭环和通态损耗最小ZVS。无需使用多维查找表和线性插值法,整体控制简单容易实现。其次,提出多模式平滑切换控制策略,可保证在模式切换时各开关管占空比跳变前后,闭环输出始终保持稳定。然后,提出多模式定频ZVS恒流充电控制策略,实现了非反向Buck-Boost变换器的双向ZVS充放电控制。最后,给出各模式区间划分的理论依据和电感参数的计算原理,并搭建500 W的实验样机验证了所提出方案的有效性。

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太阳辐射填料床储热特性研究

徐阳, 岳晨, 高鹏举

2022, 43(12): 531-539. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0595

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针对给定太阳日辐射曲线,研究集成蓄热单元的太阳光热系统的整体能量的动态转化特性及关键参数影响规律。结果表明：填料床总储热量与传热流体进口流速呈非线性变化,当传热流体进口流速 u_f =0.006 m/s时,填料床总储热量最大;在给定填料总容量和u_f =0.006 m/s的条件下,填料床高径比为5的填料床具有更高的储热能力;在该计算条件下,u_f =0.006 m/s、填料床高径比为5及填料量相对值为1时,太阳光热能实现最大程度上的转化和储存。

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燃料电池船舶舱内氢气泄漏爆炸的数值模拟研究

袁裕鹏, 崔伟逸, 沈辉, 童亮, 邹智曦

2022, 43(12): 540-549. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0871

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以燃料电池客船“Water-Go-Round”号为对象,利用FLUENT软件模拟燃料电池客船舱内管道发生氢气泄漏并引发爆炸的情况,研究不同舱室氢气点火爆炸事故的影响规律。结果表明：可燃氢气云被点燃后,爆炸超压波自点火位置向四周迅速传播,点火位置对超压波的分布影响较大;控制舱爆炸时,超压强度最大,对船体超压危害最大;乘客舱爆炸强度最小,但超压中心分布在乘客舱,超压对乘客造成的危害最大;船舶舱室燃烧火焰温度主要由可燃氢气云的分布决定,燃料电池舱的火焰衰减趋势基本相同;乘客舱受到的高温危害较低,船艏舱无燃烧火焰的高温危害。

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基于AA-CAES的综合能源系统协同优化与性能分析

韩中合, 马帆帆, 吴迪, 肖烈晖

2022, 43(12): 550-558. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0681

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构建先进绝热压缩空气储能（AA-CAES）与内燃机（ICE）和有机朗肯循环（ORC）深度耦合的综合能源系统（IES-ORC-CAES）,通过改变ICE的部分负荷率、ORC的烟气占比、低温烟气温度、电制冷占比和电价低谷期的储电量,实现了系统能量根据用户负荷的动态调整。基于K-均值算法将典型年负荷聚类为典型日场景集,考虑分时电价,以经济性、环保性和能效性为目标,采用并行式的遗传算法对IES-ORC-CAES和参考系统展开优化。结果表明：不同目标下,IES-ORC-CAES系统的年化运行成本、CO₂排放量和一次能源消耗量分别比参考系统降低了10.43%、8.19%和1.80%。此外,通过协同调节ICE、ORC和AA-CAES的出力,IES-ORC-CAES系统中AA-CAES和ORC在典型日1分别承担了用户电负荷的12.26%和0.10%,对减小电网压力和增加系统供能灵活性有重要意义。

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