太阳能学报

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秦千惠, 钟菲, 赵晓磊, 陈思苇, 苏静, 牛文娟

2022, 43(2): 1-9. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0240

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采用KOH、K₂CO₃和ZnCl₂为活化剂,椰壳、竹子、杨木和棉秆为原材料制备活性炭,研究不同活化剂对生物质热解活化产物及活性炭理化特性的影响。结果表明,KOH活化时,生物质的固液气三相比例均衡,CO体积产量最高,活性炭的表面官能团稳定性最好,骨架破碎,微孔结构发达,微孔面积可达749.90 m²/g。K₂CO₃活化时,生物质活化气体产率最高,可达68.96%,活性炭介孔结构发达,比表面积、总孔体积最大,分别可达1449.53 m²/g和0.93 cm³/g。ZnCl₂活化时,H₂体积产量大于40%,活性炭产率最高达48.48%,活性炭的固定碳含量、C转化率、石墨化程度最高,孔洞分布整齐,比表面积和总孔体积低于K₂CO₃活性炭。

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三维电解强化木醋液废水可生化性

范庆文, 李岩, 华栋梁, 赵玉晓, 陈雷, 刘素香

2022, 43(2): 10-15. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0264

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该文主要研究不同有机负荷发酵条件下废水的毒性作用规律,并考察三维电解技术的解毒效果。实验结果表明,随着有机负荷的升高,产甲烷活性抑制程度逐渐增强且COD去除率急剧降低,在4 g COD/L时产甲烷抑制率达到38.2%。结合高通量测序技术对发酵过程中细菌和古菌进行分析,发现微生物菌群结构发酵前后变化较为明显。而经优化的三维电解条件（电解时间90 min,电压5 V,pH=6,铁炭添加量140 g/L）对木醋液进行预处理后,4 g COD/L木醋液的甲烷产率由223.1 mL/g COD提升至344.2 mL/g COD,而抑制率降至11.2%。三维电解对于改善木醋液的可生化性及提高厌氧发酵效率有较为明显的效果。

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Ni、Fe负载CaO催化剂作用下生物油模化物水蒸气催化重整制氢研究

王治斌, 孙来芝, 陈雷, 杨双霞, 谢新苹, 华栋梁

2022, 43(2): 16-21. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0272

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采用浸渍法制备Ni/CaO、Fe/CaO、Ni-Fe/CaO催化剂,用于生物油模化物乙酸水蒸气催化重整反应。对反应前后催化剂进行BET、H₂-TPR、CO₂-TPD、XRD等表征。通过比较3种催化剂重整反应性能得出Ni/CaO催化剂具有最佳性能。进一步研究在Ni/CaO催化剂参与下反应温度、水碳比（S/C）、液时空速（LHSV）等因素对气体组分相对含量变化以及收率的影响。实验结果表明,在反应温度800 ℃、S/C=5、LHSV=1.54 h^-1时,Ni/CaO催化重整反应性能最佳,氢气收率维持在约85%。结合实验数据和反应前后催化剂表征可知,Ni/CaO催化剂能有效抑制催化剂表面积炭的形成,助剂Fe的添加可提高Ni与Ca-Fe载氧化的相互作用,促进CO的转化。

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3种能源草高温液态水预处理的比较实验研究

许洁, 刘静, 余强, 孙永明, 庄新姝, 袁振宏

2022, 43(2): 22-26. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0329

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在最优高温液态水预处理条件（180 ℃,40 min,固液比1∶20,饱和蒸汽压）下,比较3种不同能源草作物的表现,其中杂交狼尾草Ⅰ号、Ⅱ号和柳枝稷的木糖收率分别为88.46%、98.09%、83.65%。3种能源草经高温液态水水解后酶解率增大,最高能接近100%,总糖收率约为90%。3种能源草后续酶解表现也有差异,柳枝稷预处理前后酶解率增加约50%,狼尾草Ⅱ号和Ⅰ号分别约为40%和20%。通过组分分析,酶解率增大可能源于木质素和半纤维素的降解和纤维素的裸露导致纤维素酶更易与底物接触,木质素的脱除程度的差异使3种原料酶解率的增幅不同。

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棉秆经微波预处理改性后的热解特性研究

黄劢, 刘建国, 韩向新, 姜秀民

2022, 43(2): 27-32. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0336

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采用常规热处理法、微波烘焙法和化学处理（碱、酸）结合微波烘焙法对棉秆在200 ℃下进行烘焙预处理改性,并通过红外光谱和X射线衍射对预处理样品进行结构上的表征,然后通过热重-红外光谱（TG-FTIR）和热裂解-气相色谱质谱法（Py-GC/MS）对预处理改性过后样品的热解特性进行进一步分析。研究证明预处理方案都可改良棉秆结构、优化棉秆热解特性,微波烘焙效果优于常规烘焙,且在微波烘焙的基础上结合碱、酸处理可进一步优化其热解特性。

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生物质结渣固体碱催化剂制备生物柴油

苗长林, 吕鹏梅, 李志兵, 庄新姝, 杨玲梅, 李惠文

2022, 43(2): 33-39. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0338

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采用经气化炉烧结的生物质结渣为固体碱催化剂,催化油脂转化合成生物柴油。对固体碱催化剂进行表征,并考察物质的量之比、反应温度、反应时间和催化剂用量对反应的影响。结果表明：生物质结渣固体碱催化剂主要成分（按质量分数计）为SiO₂（40%~60%）、CaO（10%~20%）、K₂O（10%~15%）、MgO（≤10%）、Al₂O₃（≤8%）、FeO（≤4%）等,碱性位浓度为0.3974 mmol/g,催化剂比表面积为1.266 m²/g,孔径主要集中于5~10 nm。固体碱催化剂在生物柴油制备过程中表现优异,在反应温度200 ℃,甲醇/菜籽油物质的量之比14∶1,催化剂量20%（质量分数,相对于菜籽油质量）,反应8 h条件下,生物柴油转化率达95%以上,该催化剂连续使用33次后,生物柴油转化率保持在85%以上,具有良好可重复利用性。

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基于满意度函数法的油松固体燃料工艺参数优化

戴伟, 张静, 李彦平, 郑德聪

2022, 43(2): 40-48. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0375

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该文旨在确定影响油松固体燃料物理性能的因素,并优化优质油松固体燃料对应的参数组合。通过单因素试验研究颗粒度、温度、含水率、压力对油松固体燃料物理特性,如密度、耐久性、抗跌碎性的影响规律,并通过满意度函数法对三因素三水平响应面结果进行多响应优化。结果表明,当颗粒度为0.16~1.25 mm、温度为90~130 ℃、含水率为4%~9%、压力为70~110 MPa时,可成型质量优良的油松固体燃料。对于颗粒度为0.16~0.63 mm的油松原料,三响应优化结果为：温度130 ℃、含水率5.15%、压力96.88 MPa,此条件下固体燃料密度、耐久性、抗跌碎性分别达到1.089 g/cm³ 、99.33%、99.79%。颗粒度、温度、含水率、压力对油松固体燃料物理性能影响显著。

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双相体系果糖催化转化为5-羟甲基糠醛研究

蔡炽柳, 王海永, 李丹, 王晨光, 刘琪英, 马隆龙

2022, 43(2): 49-54. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0467

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以水-1,4-二氧六环为双相体系,催化果糖制取5-羟甲基糠醛,研究催化剂种类、反应时间、反应温度、水相体积、原料与催化剂比例、催化剂循环使用等不同因素对果糖制取5-羟甲基糠醛的影响。结果表明：当采用NaHSO₄为催化剂、反应温度为140 ℃、反应时间为1 h时,5-羟甲基糠醛产率达到最高值,为83%。进一步探究以葡萄糖、纤维素为原料制备5-羟甲基糠醛的产率,分别为50%和30%。催化剂经4次重复使用后仍保持良好的催化活性。

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同轴地埋管换热器岩土热响应试验研究

关鹏, 段新胜, 焦玉勇, 李鹏, 谭飞, 邹俊鹏

2022, 43(2): 55-61. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0309

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岩土热物理性质是影响地源热泵系统设计和运营的关键因素,对位于武汉市洪山区的2口不同深度的同轴地埋管换热孔分别进行48 h的热响应试验,并对同轴地埋管换热器内外管之间环形空间中的平均流体温度进行测试。根据同轴地埋管换热器的几何特性,以简便实用的方式测量同轴地埋管换热器环状空间传热流体的平均温度,结合同轴地埋管换热器钻孔热阻的解析解和无限长线热源理论,提出一种利用同轴地埋管换热器现场热响应试验获取岩土热物理性质的方法。将该方法获得的岩土热物理性质与室内试验结果相比,一致性较好,表明该方法切实可行。

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地质参数对中深层地热井长期取热特性影响分析

韩二帅, 李奉翠, 梁磊, 徐言晖, 鞠睿, 刘帅

2022, 43(2): 62-68. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0406

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基于中深层地热井换热原理,数值分析不同地质参数下中深层地热井在长期运行过程中单井取热量、能效系数、热泵机组COP以及岩土温度的变化情况。研究结果表明：岩土导热系数对长期运行期间的单井取热量、能效系数的下降比例影响较大,且岩土导热系数越小其下降比例越大。岩土导热系数为2.0 W/（m·K）时,第30年的单井取热量、能效系数与第1年相比均下降13.7%。地温梯度对长期运行期间的热泵机组COP的下降程度有较大影响,其下降比例随地温梯度的增大而增大。此外,不同地质参数下岩土温度影响半径随运行年份增加的比例一致。

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实度对导流罩式水轮机性能影响的数值研究

崔宝玉, 司先才, 袁鹏, 刘永辉, 杨洪艳, 陈建梅

2022, 43(2): 69-74. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0234

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为了研究转子密实度对导流罩水轮机的影响,建立导流罩水轮机的三维数值模型,利用CFD方法考察多组不同实度叶片下的导流罩水轮机性能参数和流场流速及压力分布。结果显示,额定流速下叶片实度的改变对导流罩式水轮机的水动力性能产生显著影响,实度增加,最大功率系数下降,且导流罩对涵道内流体的增速作用减弱。

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基于EEMD和LSTM的水电机组劣化度预测方法研究

傅质馨, 殷贵, 朱俊澎, 袁越

2022, 43(2): 75-81. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0245

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针对水电机组作为低速旋转设备具有复杂的运行机理,在目前缺乏先验知识、故障样本较少的情况下,运用传统故障诊断方法很难对水电机组的运行状况做出正确判断的问题,提出一种基于集合经验模态分解法和长短期记忆神经网络相结合的水电机组劣化度预测方法。利用水电机组非故障运行期间的数据计算不同工况下的特征参数健康值标准,使用劣化度描述机组运行期间特征量偏离健康值的程度,并通过集合经验模态分解法将原本具有非平稳性的劣化度时间序列分解为若干个平稳的分量序列,最后使用长短期记忆神经网络预测算法对机组劣化度进行预测。预测结果表明,该方法具有较好的预测精度,能准确地预测水电机组的劣化趋势。

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摆式波能发电装置在不规则波中的性能分析

樊后朋, 孙亮, 韩松林, 黄健钊

2022, 43(2): 82-87. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0335

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通过建立Matlab/Simulink仿真模型求解Cummins方程,计算摆式波能发电装置在不规则波中的瞬时功率和平均功率,同时考虑线性和非线性动力摄取系统的影响。线性假设下的数值结果与试验数据的对比验证目前数值模型的精度。进一步使用摆板-液压系统联合仿真模型研究液压式转换装置中不同影响因素对发电功率的影响,发现液压系统中活塞面积存在最优值使得装置在给定海况下的发电量最大化。

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基于VMD的混合储能容量优化配置

李鑫, 王娟, 邱亚, 侯杨成, 周芹

2022, 43(2): 88-96. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0276

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针对光伏发电输出功率的波动性以及混合储能容量优化,以光储联合的发电系统为研究对象,提出一种基于变分模态分解（VMD）的混合储能容量优化配置策略。该策略采用VMD对光伏输出功率进行处理,利用欧氏距离方法将相关模态和非相关模态进行区分,利用滑动平均法提取非相关模态中的持续分量信号,将其与相关模态进行重构作为满足国家标准的并网功率,并利用混合储能系统平抑非相关模态中的波动分量信号。建立以储能系统年均配置成本最小为目标函数的混合储能系统容量优化模型,采用改进的布谷鸟算法求解模型,得到满足系统要求的储能容量配置方案。在Matlab/Simulink上进行仿真和分析,验证所提策略的有效性与经济性。

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基于AA-CAES的冷热电三联产系统的热经济性分析

韩中合, 孙烨, 李鹏, 胡庆亚

2022, 43(2): 97-103. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0402

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为了研究储热罐内热量的分配和利用对先进绝热压缩空气储能系统性能的影响,提高系统在可再生能源并网应用中的效率与经济性,提出5种热量分配方案。采用数值模拟的方法,比较系统5种方案下的热力学与经济学特性,并研究关键参数对不同方案下系统性能的影响。结果表明：热量分配比越大,循环效率越高,而年利润率越小。对于5种热量分配方案,循环效率和年利润率随储气室最大压比的增大均存在最小值,且存在最佳的换热器效能,使得循环效率和年利润率具有最大值。压缩机入口温度的变化对5种热量分配方案的循环效率和年利润率的影响各不相同。系统年利润率随着燃料价格的升高而减少,而随着产品价格的升高而增加。

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基于多代理的微电网分布式储能系统健康状态平衡方案

吴青峰, 智泽英, 于少娟, 赵志诚

2022, 43(2): 104-112. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0404

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孤岛交流微电网内分布式储能系统（DESS）采用传统的P-f下垂控制时存在健康状态（SOH）不平衡问题。针对此问题,提出一种基于多代理的DESS组间SOH平衡方案。该方案中各个DESS代理之间进行放电深度（DOD）信息交互,根据DESS的SOH状态对DESS逆变器输出有功功率进行调节,实现DESS的SOH平衡,延长DESS的使用寿命,降低微电网的维护成本。最后,利用PSCAD仿真软件和搭建的实验平台进行仿真和实验验证,仿真和实验结果验证了所提方案的有效性。

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三端口LLC谐振型变换器研究

张怡, 谢俊峰, 刘飞龙, 陈裕

2022, 43(2): 113-119. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0213

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为解决多个变换器引起的能量损耗问题,提出一种三端口LLC谐振型结构的变换器,可实现同时向负载端和储能端供能。建立基波近似（FHA）模型,分析变换器的增益特性。传统的脉冲宽度调制（PWM）策略无法实现宽范围零电压开关（ZVS）技术,现有的脉冲频率调制（PFM）控制策略需要复杂的建模过程。研究中设计了改进的PWM-PFM混合调制方法。在该控制策略下变换器可在宽输入电压范围内实现稳压输出和软开关技术。最后,建立330~400 V输入、48 V/288 W输出的仿真模型,验证了研究与分析的正确性。

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利用需求侧资源降低配电网脆弱性的优化方法研究

董厚琦, 曾博, 吴晨, 周吟雨, 方伟, 曾鸣

2022, 43(2): 120-126. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0050

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基于需求侧用户资源能量转换和存储设备的可调特性,分析电网故障后需求侧资源对改善配电网的脆弱性的价值。为最大化挖掘需求侧分布式能源对电网负荷恢复的作用,构建考虑规划-运行的两阶段需求侧资源优化选择模型。该模型在充分考虑不同电网故障场景的基础上,以系统投资成本和失负荷运行成本之和最小化为目标,同时考虑用户用能、系统运行等约束,通过优化选择可调用的需求侧分布式能源,实现需求侧资源对改善电网脆弱性的评估。选择某配电网为案例,分析不同需求侧资源优化选择方案对改善提升配电网脆弱性的效果,验证所提方法对于支撑配电网快速恢复的有效性。

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基于E-C-K-均值聚类和SOP优化的分布式电源双层规划

郑焕坤, 曾凡斐, 傅钰, 韩超超, 张凌宇, 董凌

2022, 43(2): 127-135. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0056

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在含智能软开关（SOP）的配电网中针对分布式电源（DG）提出一种双层优化配置模型。上层以运营商年收益最大为目标求解DG安装的位置和容量,下层通过对SOP进行约束使网络运行性能最优,考虑到负荷和分布式电源输出的时间序列特征,设计一种新的E-C-K-means聚类算法对四季场景下的风速和辐照度进行聚类,得到典型场景日曲线。考虑到规划问题属于大规模混合整数非线性的问题,需要将离散变量与连续变量进行解耦,采用遗传算法和原对偶内点法混合算法进行求解;最后基于改进的IEEE33节点配电网系统,对优化模型和求解方法的有效性进行验证分析。

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基于虚拟磁链DPC的电压型整流器控制系统研究

周振雄, 刘丙申, 王文保, 彭红义, 张志敏, 王洪希

2022, 43(2): 136-143. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0238

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对电压型PWM整流器（VSR）的直接功率控制（DPC）系统进行研究,针对采用虚拟磁链实现无电压传感器电压观测存在的模型预测误差问题,提出一种基于牛顿插值原理对模型观测电压进行修正的虚拟磁链模型预测直接功率控制策略,通过牛顿插值法修正电网电压估算值,同时引入内模反馈校正环节对模型预测相邻时刻瞬时功率所产生的误差进行修正,以此改进整流器SVPWM控制电压,实现更稳定功率跟踪,减少启动和调节给定时产生的超调量,同时有效减少整流器网侧谐波,达到绿色整流的目的。仿真对比分析和试验结果表明,采用上述控制策略的VSR具有良好的直流侧电压输出质量、较强的抗干扰性和低网侧谐波,可有效实现绿色整流和高功率因数直流电压输出。

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基于水库大坝的水能与太阳能融合型并网发电系统研究与应用

杨玉泉, 张仁贡

2022, 43(2): 144-148. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0297

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针对中国大中型面南的水库电站大坝,向光性比较好,具备安装太阳能光伏发电系统的条件,并使得2种可再生能源融合并网发电模式具有一定的创新性。水库电站的发电系统是已建成的,增加太阳能光伏发电系统并建设融合型并网发电系统,不仅体现了投资成本低发电效益高等特点,同时具有节约国土资源、保护大坝和节能减排等社会效益。在设计和实践过程中,研发了水电与太阳能光伏发电共享型控制系统、光伏逆变谐波抑制及无功补偿系统、水电与太阳能光伏发电共享型直流系统等,这些发明设备与技术在实践应用中取得了良好的效果。研究实践表明,太阳能光伏发电与水库水电站融合型并网发电模式,具有很好的推广应用价值。

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串联谐振型三相双有源桥变换器损耗分析

吴俊娟, 程亚伟, 燕祥伟, 孙孝峰

2022, 43(2): 149-156. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0345

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以基于变压器星-角连接的串联谐振型三相双有源桥DC-DC变换器为研究对象。首先,对其工作原理进行详细分析,并推导电感电流、功率表达式,以及软开关条件;其次,将变压器副边电路折算至原边,使谐振变换器的电路模型得到大大简化,并以此为基础进行电路参数选择和硬件设计;然后,通过对变压器、电感、开关管的功率损耗进行分析,建立串联谐振型三相DAB变换器的总功率损耗模型;最后,设计500 W的实验样机对理论分析和损耗模型的准确性进行了验证。

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适应新能源高占比系统的低频减载优化方法

盛四清, 赵文天, 樊茂森

2022, 43(2): 157-162. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0349

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该文介绍考虑低频减载反馈环节的改进频率响应模型,分析了传统低频减载方案在新能源高占比电力系统中的不足,提出一种基于频率变化率的多次加速减载的优化方法。在Matlab/Simulink中进行仿真,结果证明了优化方法的有效性。与传统低频减载方案相比,优化方案减载量更少,系统频率恢复更加快速稳定,在新能源高占比系统中具有更强的经济性和适应性。

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三结太阳电池低频噪声特性与可靠性表征研究

余永涛, 孙宇, 王小强, 罗宏伟, 罗军, 肖文杰

2022, 43(2): 163-168. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0052

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以GaInP/InGaAs/Ge三结太阳电池为研究对象,通过宽范围电流偏置条件下的低频噪声测试和高温应力试验,对三结太阳电池的低频噪声特性和可靠性表征进行研究分析。结果表明,三结太阳电池的低频噪声包括1/f噪声和G-R噪声。在宽范围电流偏置条件下,低频噪声随偏置电流呈先增大后减小的规律,并在频率为500 Hz时出现G-R噪声特征。高温应力试验后,太阳电池在小电流偏置条件下的低频噪声明显增大,与器件暗I-V特性的变化一致,归因于热应力诱发的器件缺陷。相对于单频点噪声参数,宽频带噪声参数可更准确稳定地表征太阳电池可靠性。

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光伏组件在非标准测试条件下的能量分布

马涛, 申璐

2022, 43(2): 169-175. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0058

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该研究基于非标准测试条件,结合五参数电学模型、热阻模型和损失模型,提出一种评估光伏组件能量分布的耦合模型。通过模拟数据和实验数据的对比,验证该模型在模拟光伏组件发电量和太阳电池温度方面的准确性,并研究非标准测试条件下光伏组件的运行状态和能量分布情况。结果表明,在某个晴天下,对于一个实际运行的光伏组件,21.9%的入射太阳能由于太阳电池本身或连接处的光学反射而耗散在周围环境中,只有14.3%的太阳能转换为电能实现有效输出,剩余63.8%的能量则被转换成热源。在这些热源中,超过一半是来自光谱失配损失,即热化损失和亚带隙损失。

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冬季覆冰对光伏组件输出特性影响的实验研究

岳家辉, 张新燕, 周鹏, 王衡, 高亮

2022, 43(2): 176-181. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0106

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针对光伏组件冬季覆冰而导致其输出特性受到影响的问题,通过搭建单相闭环光伏发电实验平台,并基于12月份乌鲁木齐冬季室外环境,研究覆冰面积、覆冰厚度及覆冰倾角的改变对光伏组件输出功率及功率损耗率的影响规律。实验结果表明,当覆冰面积逐渐增加,光伏组件输出功率下降愈来愈迅速,填充因子增大,功率损耗率升高;随着覆冰厚度的逐步增大,光伏组件输出功率变化趋势先平稳后降低,相应的损耗率开始升高;而覆冰倾角的增加会一定程度改善因覆冰所造成的光线折反射与遮拦效应问题。

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基于倍压单元的新型准Z源逆变电路

李恺, 郝杨阳, 李海滨, 韦正怡, 刘贇, 丁新平

2022, 43(2): 182-188. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0211

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针对现有的技术缺陷,提出一种高电压增益的单级逆变电路,利用直流侧改良倍压单元和逆变侧直通状态,实现交流输出电压受耦合绕组匝数比和直通占空比的双自由度调节,在小直通占空比时能够获得高升压比。分析新拓扑的工作模态、各元件之间的电压和电流关系以及比较三相桥式逆变器总开关功率。在此基础上,分析寄生参数条件下逆变器升压比与效率之间的关系。最后,搭建850 W实验样机进行验证,实验结果与理论分析和仿真结果一致,验证所提逆变器的正确性和可行性。

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含高渗透率分布式光伏的主动配电网电压分区协调优化控制

刘蕊, 吴奎华, 冯亮, 梁荣, 王宪, 杨慎全

2022, 43(2): 189-197. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0239

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随着高渗透率分布式光伏的接入,配电网的过电压问题愈发严重,传统集中式的电压优化控制方法因为变量维数过多而无法满足控制时间的要求。基于此,该文提出一种主动配电网电压分区协调优化控制的方法。首先提出无功/有功分区质量函数作为分区指标,并以网络快速分区算法对配电网进行无功、有功分区。在无功分区内,以无功调节量最少为目标建立光伏逆变器无功优化二阶锥模型,在有功分区内,以光伏有功剪切最少为目标建立光伏逆变器有功剪切二阶锥优化模型,采用并行计算方式对各分区内二阶锥优化模型同时求解,然后将各分区优化结果作为其他分区优化约束再进行迭代优化,直至所有分区内目标函数值不再发生变化,达到各分区之间协调控制的目的。最后以某实际馈线系统为例,验证所提方法能对配电网过电压进行快速有效的控制。

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基于Jaya-DA算法的太阳电池模型参数辨识

曾一婕, 王龙, 黄超

2022, 43(2): 198-202. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0262

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为提升太阳电池模型参数辨识的准确率,该文提出基于Jaya算法与蜻蜓算法相融合的辨识方法,运用Jaya算法进行初步全局搜索,并结合蜻蜓算法进行局部搜索最优解,使算法收敛精度得到有效提升。研究结果表明：运用Jaya-DA算法求得太阳电池模型的电流均方根误差为9.861×10^-4,相较于单一使用Jaya算法、蜻蜓算法、人工蜂群算法、粒子群算法,该方法所得结果均方根误差更小,可更准确地确定太阳电池模型参数。

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基于财务评价体系的光伏项目含税LCOE分析

洪凌, 孙志久, 寿春晖, 陈建国, 李晓洁, 金胜利

2022, 43(2): 203-210. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0384

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该文结合财务评价系统的成本分类,配合国内增值税、所得税等税金的计算方式,推导通用的项目含税平准化度电成本（LCOE）公式,并提出项目含税LCOE值盈亏平衡点的概念和计算方法,来表征项目含税成本与上网电价间的盈亏平衡点。具体实例分析结果表明,含税LCOE公式可以适应项目全生命周期税率和上网电价变化的情况。项目扣减进项税或所得税“三免三减半”后,全周期度电成本明显降低,税收优惠政策对减轻项目前期资金压力有较好的支持作用。

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基于多尺度CNN的光伏组件缺陷识别

周颖, 叶红, 王彤, 常明新

2022, 43(2): 211-216. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0408

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为提高光伏组件缺陷分类精度与效率,提出一种改进的多尺度卷积神经网络模型（IMCNN）。该算法根据光伏组件缺陷特点,构建3个不同尺度端对端的卷积神经网络模型,同时为优化网络结构,在3个通道中均引入SE-Inception模块。首先由多通道卷积提取精密度不同的特征;再将这些特征进行融合,得到特征的增强表达;最后实现光伏组件的缺陷分类。由于光伏组件的缺陷样本较少,使用生成对抗网络生成一部分图像样本,达到有效进行数据增强的目的。实验结果表明,所提算法的Kappa系数较高,分类精度与效率均有明显提升。

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改进功率预测变步长扰动法在光伏MPPT中的研究

王伟, 戴朝华, 陈维荣, 郭爱

2022, 43(2): 217-225. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0424

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针对最大功率点跟踪技术在光伏发电系统中的应用和研究现状,提出一种改进功率预测变步长扰动法。首先分析光照强度在一个采样周期内非线性变化时功率预测法会因功率预估值偏差较大而产生误判这一现象,为减少功率振荡损失,基于牛顿插值法建立三点采样函数模型以减少预测功率值与实际功率值的偏差。其次在确定变步长的过程中纳入光照强度变化这一动态因素,通过引入对光照强度变化的修正系数提出一种变步长的确定方法。最后搭建光伏系统模型及车载光伏实验平台进行最大功率点追踪仿真,结果表明改进功率预测变步长扰动法在改善误判和失效问题的同时能更加平稳地追踪最大功率点。

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基于Attention-GRU的短期光伏发电功率预测

刘国海, 孙文卿, 吴振飞, 陈兆岭, 左致远

2022, 43(2): 226-232. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1202

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针对传统长短时记忆神经网络（LSTM）参数量较多以及在处理长时间序列时容易忽略重要时序信息的不足,提出一种结合注意力机制（attention）与门控循环单元（GRU）的Attention-GRU短期光伏发电功率预测模型。首先,基于改进相似日理论建立新的数据集;然后,利用门控循环单元提取光伏发电功率的时序特征,引入注意力机制加强对时序输入中重要信息的关注;最终构建针对不同天气类型的预测模型。仿真结果表明,提出的模型与对比模型相比,预测精度更高。

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基于迁移学习的光伏组件鸟粪覆盖检测

李琼, 吴文宝, 刘斌, 刘君

2022, 43(2): 233-237. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1398

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该文基于无人机光伏组件可见光图像采集,提出一种基于迁移学习的光伏组件鸟粪检测方法。方法首先基于掩膜区域卷积神经网络（Mask-RCNN）对光伏组件边界进行框选,再利用迁移学习策略,构建光伏组件鸟粪缺陷检测模型,实现鸟粪智能检测。利用上述方法,实现光伏组件鸟粪覆盖检测准确率为96.75%。

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塔式太阳能热发电系统性能模型及其仿真研究

徐玫, 王晓, 肖斌, 周治, 彭怀午

2022, 43(2): 238-245. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0047

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结合塔式太阳能热发电系统中主要设备的机理模型和变工况下的运行方式,建立一套能完整反映电站工作过程的性能模型。发电系统在太阳法向直射辐照度扰动下的动态过程研究结果表明：吸热器出口熔盐温度、表面最高温度、散热功率的过渡过程较平缓,效率在瞬时突变后会逐渐恢复到接近扰动发生前的水平;吸热器出口熔盐温度、表面最高温度、散热功率与太阳法向直射辐照度的变化基本呈正比关系,效率随太阳法向直射辐照度的增大而升高但斜率逐渐减小。发电系统对电网负荷特性的适应能力研究结果表明：机组在热态启动方式下更适合带早高峰,而在温态启动方式下更适合带晚高峰,高峰时段附近的天气状况对机组带早晚高峰负荷的能力具有明显影响。

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基于微通道板强化换热的多功能百叶集热墙模块实验研究

胡中停, 余鹏坤, 陈明想, 侯志浩, 高胜寒, 陈永龙

2022, 43(2): 246-249. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0051

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提出一种基于微通道板强化换热的多功能百叶集热墙,在集热墙的空气夹层中构建百叶型微通道板,利用水循环带走积蓄在集热腔内部的热量,缓解夏季集热墙过热问题的同时可满足家庭对热水的需求。对比测试表明,多功能集热墙的背板温度相比于传统集热墙最高降低24.4%,而水箱平均水温最高达到46.80 ℃。该研究证明百叶集热墙在减少室内夏季得热、提供生活热水等方面均具有良好的实践效果。

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中低温能源在中国

赵军, 李扬, 李浩, 钟声远, 马凌, 李文甲

2022, 43(2): 250-260. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0227

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推动中低温能源的规模化应用是中国重构能源供给格局、实现清洁、低碳与可持续发展的有效途径。然而,目前中国中低温能源尚无完善的统计和明确的专项能源规划,其开发利用情况尚不明确;同时,中低温能源品位低、能量密度小,其开发利用仍然面临获取难、转换方式单一等问题,缺乏有效的技术路线指导。该文从中国能源结构中供需匹配角度出发,对地热能、太阳能、工业余热与海洋热能四类典型中低温能源的年可利用量、利用现状与潜力等方面进行分析,并对未来的能源结构及相关前沿技术进行预测与讨论。结果显示,中国地热能、太阳能、工业余热与海洋热能年可利用量（资源量）分别达到1.17×10¹⁰、4.90×10¹⁰、4.86×10⁶、2.95×10⁹ TJ,但目前中低温能源利用量仅约占中国能源总利用量的3%（2017年中国能源总利用量为1.36×10⁸ TJ）。预测结果显示,至2050年4类典型中低温能源利用将占中国能源总利用量的8%至21%,显示了中低温能源的重要地位,也凸显了相关研究与利用的广阔前景。

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太阳能驱动的中空纤维膜液体除湿系统分析

门玉葵, 李南风, 何智鹏, 梁才航, 李振兴, 童晓漫

2022, 43(2): 261-267. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0230

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建立太阳能驱动的中空纤维膜液体除湿系统的分析模型,对系统各部件进行分析,分析空气、冷水进口参数和溶液流量对系统性能的影响。结果显示：1）影响系统效率较大的因素是空气进口含湿量、空气流量、冷水温度和冷水流量;2）整个系统中太阳能集热器部件的损最大,可见提高太阳能集热器的性能是提高系统效率的关键。

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平板太阳能集热器热损系数及稳定性研究

杨鲁伟, 李明, 王富强, 高文峰, 王伟

2022, 43(2): 268-275. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0258

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为分析空晒对平板太阳能集热器热损的影响,通过准稳态的测试方法,得出3种涂层（蓝膜、黑铬、阳极氧化）集热器的热性能。此外,也分析了总热损系数随吸热板的平均温度、环温和风速等因素的变化趋势。分析结果表明,经过长期的空晒老化,蓝膜、黑铬和阳极氧化太阳能集热器的总热损系数分别为5.072、5.246和5.996 W/（m²·K）,总热损系数的决定性因素为吸热板平均温度和发射率,风速和倾斜角是其重要影响因素,环境温度对总热损系数的影响较小。通过理论计算得出的总热损系数与实验数据拟合得出的系数相对误差不超过4%,说明所给出的不同涂层性能的计算结果具有较好的准确性。通过扫描电镜的观测分析,说明了在抗腐蚀、抗氧化和热稳定性方面,黑铬和阳极氧化涂层优于蓝膜涂层。避免平板太阳能集热器长期高温空晒,降低涂层发射率可有效减小集热器的总热损系数。

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空气-沙子移动床换热器传热特性实验研究

杨建蒙, 孙源敏, 侯党员, 李斌, 孟繁旭, 陈海生

2022, 43(2): 276-281. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0260

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面向太阳能热发电系统,建立一种空气-沙子移动床换热器实验平台,对其在不同参数下进行传热性能的实验研究。并基于实验数据,利用线性回归拟合得到表观气固传热系数的关联式,其整个实验工况预测值与实验值的平均误差为3.57%。研究结果表明：较高雷诺数可提升空气-沙子移动床换热器的传热效能,空气进口温度为281 ℃时,空气-沙子移动床换热器的固相传热效能可达93.56%。当沙子流量不变时,沙子粒径的变化并不会大幅度影响空气-沙子移动床换热器的换热效果。

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冷辐射板吸收太阳辐射的特性研究

董庆海, 李舒宏

2022, 43(2): 282-286. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0304

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为计算辐射空调系统中冷辐射板吸收太阳辐射能的大小及比例,在分析室内太阳光线传播的基础上,提出采用一种线性方程的方法。结果表明,以本文房间为例,冷辐射板吸收的太阳辐射能的大小以及比例在夏至日表现为正午最小,冷辐射板所吸收的太阳辐射能理论上最大能达到32 W/m²,吸收系数在0.13~0.28之间变化。冷辐射板所吸收的太阳辐射能与表面之间的角系数以及表面对太阳辐射的反射比都有关。因此,计算冷辐射板吸收的太阳辐射时应采用动态的算法以及考虑各个因素的影响。

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1971—2019年羌塘国家级自然保护区日照时数变化特征及其影响因素

杜军, 高佳佳, 次旺顿珠

2022, 43(2): 287-295. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0306

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该文基于1971—2019年羌塘国家级自然保护区周边5个气象站日照时数、总云量、水汽压、相对湿度和风速等资料,运用气候倾向率、M-K突变检测和主成分回归等方法,研究了自然保护区年和四季日照时数的时空变化特征及影响因素。结果表明,自然保护区各站年日照时数为2839.2~3574.5 h,总体上呈自东向西递增的分布规律。保护区平均年日照时数要少于青海省柴达木盆地和西藏日喀则市大部,但多于藏东和藏南山地以及青藏高原东部。近49年,保护区年日照时数显著减少,平均每10年减少22.8 h,以夏季减少最为明显;自20世纪90年代以来,四季日照时数均呈明显减少趋势,仍以夏季减幅最大,其次是春季,而年日照时数减幅变得更大,达54.1 h/10 a。日照时数在10年际尺度上呈现出20世纪70年代偏少、1980—1990年代偏多,21世纪前10年明显偏少的变化特征。从转折点上看,保护区年日照时数在2016年发生了由偏多阶段跃变为偏少阶段的突变,时间较柴达木盆地偏晚21年;秋、冬两季日照未发生突变,春、夏季分别在2015年和2008年出现了突变。主成分回归分析显示,总云量是影响年日照时数变化的主导因子,平均风速起着次要作用;在季节上影响日照时数的主导因子均为总云量。

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建筑室内人体太阳辐射得热特性及数值模拟

袁宸章, 李念平, 何颖东, 阿勇嘎, 陆美瑶, 黄晨昱

2022, 43(2): 296-302. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0324

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太阳辐射对建筑室内人体热舒适和建筑能耗有着显著影响。通过实测验证了daylight coefficient（DC）算法模拟太阳辐射强度的准确性。随后基于假人仿真模型采用DC算法计算室内人体平均辐射温度增量（Δ）,与SolarCal（SC）算法结果作对比,并对SC算法进行改进。相比原SC算法,改进SC算法与DC算法计算散射辐射ΔMRT最大差值从4.66 ℃优化到0.92 ℃。然后通过改进SC算法数值模拟案例分析了建筑室内人体全年太阳辐射得热特性,为评估被动太阳能建筑性能及改进暖通空调系统参数调控提供参考。

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封闭阳台温差修正系数取值及其对供暖设计的影响

马梦茹, 张华玲

2022, 43(2): 303-310. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0360

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封闭式阳台作为居住建筑延伸空间,是被动式附加阳光间的一种形式。该文通过分析封闭阳台型式、围护结构热工性能、太阳辐射强度、外遮阳等因素对阳台温差修正系数α的影响,推荐给出严寒、寒冷、夏热冬冷地区代表城市居住建筑不同型式封闭阳台适用于工程应用的温差修正系数简便计算公式,为准确评估封闭阳台这类附加阳光间对供暖房间增益效果提供依据。分别采用该文推荐公式计算α值、现行规范建议值0.7,计算代表城市居住建筑封闭阳台的温度、分隔封闭阳台与供暖房间的围护结构耗热量（该文中简称“内围护结构”）以及建筑供暖设计负荷,并发现满足现行节能规范的居住建筑封闭阳台温度均高于α取0.7对应的设计计算温度,阳台温度不都能达到现行热工规范要求的12 ℃,指出不同现行规范对应条款衔接还存在不足;同时,内围护结构耗热量差异率高达42%~81%,建筑供暖设计负荷差异率也达到12%~22%,按规范建议的0.7计算会增大供暖房间末端设备与建筑供暖系统热源容量,会导致房间过热,热源设备低负荷运行时间延长,投资与能耗增加。

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西沙地区建筑能耗模拟用典型气象年研究

张晓静, 盖世博, 谢静超, 周锦玥, 刘加平

2022, 43(2): 311-320. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0369

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典型气象年可为建筑节能设计提供必要的气象数据条件。在挑选典型气象年的过程中,通常要具备30 a的气象数据资料,包括如干球温度、太阳辐射、风速、露点温度等。中国南海岛礁地区地面气象观测数据缺失问题严重,特别是太阳辐射数据较难获得。针对这一问题,以西沙地区为例,基于中国气象局提供的近30 a（1985—2014）实测气象数据,探讨了露点温度、太阳辐射数据缺失时典型气象年的挑选方法。用干球温度、大气压力、相对湿度数据计算露点温度,以日照时数代替太阳辐射数据,基于Sandia国家实验室法生成了西沙典型气象年,得到的典型年气象数据与长期历史观测数据的累积分布曲线吻合度高,均方根误差值、平均偏差值小,可见该方法可靠准确。因此,当太阳辐射数据缺失时可用日照时数挑选典型年,进而计算温度、湿度和风速等关键气象要素的典型年数据,为被动式太阳能建筑设计和主动式太阳能技术利用提供基础资料。由生成的典型年气象数据可知,西沙地区具有常年高温、高湿和高风速的气候特点,这与长期地面观测数据相吻合。

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斯特林发动机功率控制系统设计

王鑫, 黄护林, Fawad Ahmed, 赵永彬

2022, 43(2): 321-328. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0377

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基于Matlab的建模仿真,采用PID调节,设计一种斯特林发动机功率控制方法,对GPU-3β型斯特林发动机以改变压力的方式进行功率调节。根据20组实际数值模拟出传递函数,模拟的数据与真实数据对比符合度高于99%。输入压力值通过传递函数计算得到实际的输出功率,调节输入压力值,输出结果随之改变。结果表明运用闭环负反馈和PID调节后,随着输入压力值的变化,输出功率能按特定的规律进行变化。本设计消除了输入数据的扰动以及外界干扰对输出功率稳定的影响,使得斯特林发动机的功率控制系统具有相对较强的稳定性以及对扰动具有一定的自适应能力。

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塔式太阳能熔盐吸热器运行特性与策略优化

徐有杰, 曾季川, 陈冬, 肖刚

2022, 43(2): 329-337. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0382

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该文研究太阳光照条件、环境温度、风速、风向等因素对塔式太阳能热发电熔盐吸热器整体热效率和散热损失的影响规律,讨论吸热器的运行策略及其对系统效率的影响。吸热器的运行受风速和入射能量的影响较大,受风向和环境温度的影响较小。额定出口温度模式下,当风速超过7 m/s时,对流散热损失超过辐射散热损失。风速对吸热器局部对流散热损失的影响较大,但对局部辐射散热损失的影响非常小。在额定出口温度模式下运行时,尽管吸热器热效率较低,但其效率和整个系统的能量利用率比额定质量流量模式更高。当太阳直射辐射（DNI）相对稳定或变化幅度较小时,宜采取额定出口温度运行模式,此时若入射能量不低于设计值的80%,系统效率最大提升2%;若入射能量从设计值的80%降低至30%,系统效率提升值从2%增大至9%。当DNI剧烈波动时,宜采取等效额定出口温度运行模式。

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墙体-屋面组合式蓄热通风墙热工优化及其室内热环境分析

李勇, 刘倩茹, 王登甲, 陈耀文, 刘艳峰

2022, 43(2): 338-344. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0635

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传统玻璃幕墙房间昼夜温差大、供暖能耗高,该文提出一种墙体-屋面组合式蓄热通风墙。建立该结构的传热数学模型,对屋面倾斜角度、通风孔尺寸、风机风速等影响因素进行优化分析,对比墙体-屋面组合式蓄热通风墙与传统玻璃幕墙房间的室内热环境及热负荷。结果表明：综合考虑总供热量和对流换热量,通风孔尺寸为250 mm×250 mm最佳;屋面倾斜角度和风机风速分别为45°和1.0 m/s时,蓄热通风墙的供热能力最佳。相比传统玻璃幕墙,墙体-屋面组合式蓄热通风墙房间自然室温保持在15 ℃以上的时间延长了约3.5 h,室温波动缩小了约3 ℃,昼夜温差明显减小;蓄热通风墙房间的热负荷降低了约40.7%。

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光煤互补发电系统的锅炉变工况性能研究

吴俊杰, 韩宇, 孙颖颖

2022, 43(2): 345-350. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0750

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通过对光煤互补发电机组的集热子系统、汽轮机子系统和锅炉子系统进行建模,研究在多种典型集成方式下,太阳能热输入对锅炉变工况特性及机组热经济性的影响。结果表明,当太阳能热集成于锅炉再热器之前,太阳能热输入将导致锅炉再热温度下降,影响锅炉安全性与机组热经济性;而若将太阳能热集成于锅炉再热器之后,太阳能热输入不影响主蒸汽和再热蒸汽温度。其中,当太阳能热用于取代第三级抽汽时,系统循环比功、系统标准煤耗率和太阳能热电转化效率均优于太阳能热取代第一级抽汽。通过案例分析,当太阳能热完全取代第三级抽汽时,机组的标准煤耗率减小7.95 g/kWh,太阳能热电转化效率可保持在约39%。

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基于单层MNCl（M=Zr,Hf）的温差发电模型仿真分析

刘新宇, 原绍恒, 徐斌, 安小宁

2022, 43(2): 351-356. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0320

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在研究单层ZrNCl和HfNCl材料热电性能的基础上,搭建温差发电模型,研究不同规格温差发电模块的输出性能,然后与其他学者研究的温差发电模型及热电材料的热电转换效率进行对比分析。结果表明：在低温区和中温区,单层ZrNCl的热电转换效率更高。温差发电模块的输出功率随温差发电模块横截面积和热电单元对数的增大而增大。单层ZrNCl的热电转换效率接近当前最具代表性的Bi₂Te₃低温热电材料的热电转换效率,表明该材料具有良好的市场应用价值。

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泥石流对山区风电场冲击防治研究

方君, 王立忠, 洪义, 赵吉东

2022, 43(2): 357-364. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0055

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为研究泥石流与刚性防护结构的作用,使用耦合的离散元方法和计算流体力学方法（CFD-DEM）,分别模拟单相流和两相流对刚性防护结构的冲击。计算结果表明：单相流以堆积机制为主,而两相流表现出爬升机制;两相流中由于液体的拖曳和浮力作用,颗粒内部的接触数减少,能量耗散降低,导致颗粒的爬升高度和最大冲击力分别增加426%和488%。

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格尼襟翼垂直轴风力机风场研究

倪露露, 缪维跑, 李春, 朱海天

2022, 43(2): 365-372. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0217

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为研究垂直轴风力机风场中机组气动性能受格尼襟翼的影响,采用TSST湍流模型对直线翼垂直轴风力机进行数值模拟研究。结果表明：风场上游风力机组尖速比越大,机组间流体加速效果越显著,使风力机组气动性能高于单风力机;在中低尖速比时,格尼襟翼可有效提升单个风力机气动效率,在尖速比较高时,提升效果并不明显;在风力机组中安装格尼襟翼且可优化上游风力机组尾迹流场并提高机组间流体的加速效果,使下游风力机获得更高的风能利用率;当格尼襟翼风力机组采用交错排布方式时,下游风力机可利用阻塞效应和格尼襟翼的双重优势,叶片平均切向力较单风力机大幅提升,且风场中3台风力机切向力的平均值高于单台风力机,风场中机组整体性能得到提高。

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内含实体对H型垂直轴风力机气动性能的影响

黄惠兰, 文翔, 李刚, 汤维

2022, 43(2): 373-379. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0232

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以H型垂直轴风力机及其内含圆柱形实体为研究对象,对NACA0018翼型的五叶片H型垂直轴风力机的气动性能进行数值模拟和实验验证。分析8种不同直径的内含圆柱体,在内含实体截面积占风轮迎风面积之比分别为21.2%、50.0%和76.9%时,风力机风能利用率的峰值分别下降8.04%、20.7%及74.3%。结果表明：随着内含实体直径的增大,风能利用率的峰值逐渐减小,开始较为缓慢,达到一定值时快速下降。小直径内含实体主要影响叶片在下风区的转矩,对风能利用率的影响较小,而大直径内含实体还会影响叶片在上风区的转矩,其风能利用率迅速减小。对于内含固定直径的实体,比如在现有建筑物外侧安装风力机时,其风轮半径的选择需综合考虑风能利用率和风力机的建造成本两方面的因素。研究结果可为建筑物与垂直轴风力机进行有效结合以提高风能的利用提供参考。

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电网短路故障下双馈风电机组传动链扭振疲劳可靠性分析

仇世龙, 李辉, 龚立娇, 王宾, 柴兆森, 司金冬

2022, 43(2): 380-388. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0254

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双馈风电机组电气故障扰动引起的电磁转矩波动易造成轴系传动链扭振疲劳,有必要研究电网短路故障对机组传动链扭振疲劳可靠性的影响。首先建立考虑关键部件柔性的传动链有限元模型,通过模态分析获取传动扭振模态。其次基于集中质量法,建立机电耦合模型,以电网短路故障为扰动因素,仿真分析电网短路故障下电磁转矩动态响应。最后将电网短路故障下发电机电磁转矩扰动作为激励,借助ANSYS Designlife平台构建传动链扭振疲劳可靠性模型,分析机组传动链在电网短路故障下电磁转矩波动对扭振疲劳可靠性的影响。结果表明：三相接地故障时电磁转矩波动最剧烈,对传动链的疲劳可靠性影响更大;电网发生短路故障时,电磁转矩中存在低频分量可与高速轴的扭振模态耦合,激发高速轴的扭振,加剧高速轴的疲劳损伤;电磁转矩激发的扭振具有传递效应,越靠近发电机的部件扭振越明显,可靠性越低。

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电压不平衡下无权重系数FCS-MPC的DFIG控制

杨旭, 李岚, 杨琦, 赵楠, 侯传羽

2022, 43(2): 389-393. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0275

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针对传统多目标模型预测控制（MPC）权重系数设计复杂的问题,运用分层控制的思想,提出一种无权重系数的多目标优化模型预测控制策略。利用MPC控制算法可直接控制交流量这一优势,在两相静止坐标系下推导双馈感应发电机（DFIG）转子电流、定子电流和定子功率的参考方程和预测方程。最后进行传统多目标MPC控制策略和无权重系数多目标MPC控制策略下的对比仿真实验。仿真结果显示,相比于传统多目标控制策略,所提控制策略的动态响应速度更快,并可改善系统的稳态性能。

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基于批标准化的堆叠自编码网络风电机组变桨系统故障诊断

王思华, 王恬, 周丽君, 王宇, 陈天宇, 赵珊鹏

2022, 43(2): 394-401. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0284

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为了提高风电机组变桨系统故障诊断的准确性,提出一种基于批标准化的堆叠自编码（SAE）网络故障诊断模型。针对SAE网络在特征学习过程出现的梯度硬饱和问题,选用PReLU激活函数,在SAE网络中加入批标准化（BN）层进行优化,通过输出层的Softmax函数,得到变桨系统各部件故障发生概率。以均方误差最小化为目标,采用Adam算法迭代训练数据,使模型参数得到更新。在风电机组变桨系统数据采集与监视控制（SCADA）系统中的数据集中,对优化前后的SAE网络通过改变迭代次数、样本数量进行实验,结果表明,优化后的SAE网络模型具有更好的识别精度;另外,在不同样本数量的实验中,与其他传统模型相比,优化后的SAE网络模型故障识别率也更高,表明其在风电机组故障诊断领域有一定的应用价值。

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多参数模型风电机组叶片结冰监测与预警研究

刘庆超, 郭鹏, 张伟, 张银龙, 张勇铭

2022, 43(2): 402-407. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0292

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详细分析叶片结冰对风电机组运行性能和运行参数的影响,采用功率、叶轮转速和环境温度作为监测叶片结冰的变量。采用高斯过程回归分别建立功率模型和叶轮转速模型实现2个参数的实时监测。引入序贯概率比检验方法分析功率和叶轮转速模型的预测残差以发现2个参数在叶片结冰时的异常变化。当风电机组功率异常、叶轮转速异常且环境温度在0 ℃附近这3个条件同时满足时,发出叶片结冰预警。以云南某高原风场风电机组叶片结冰实际数据为例,验证本文方法的有效性。

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风力发电机组塔架螺栓连接公差问题研究

刘兆, 周慧珠

2022, 43(2): 408-414. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0321

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针对风力发电机组塔架法兰的螺栓连接,基于IEC 61400对其公差的要求和可能发生的平面度问题,采用有限元方法进行应力计算。结合实际风力发电机组法兰螺栓连接实例计算,对塔架法兰内倾量和平面度公差对筒壁和螺栓的影响进行总结,提出法兰内倾角公差设计方法,比较平面度公差对螺栓的影响,可为提高塔架法兰连接的可靠性提供更为严谨的设计方法。

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基于激光雷达的风力机分离测风独立变桨控制策略

陈文婷, 张铂炅, 林勇刚, 李伟, 刘航, 顾亚京

2022, 43(2): 415-423. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0331

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在基于叶片根部载荷的PID独立变桨控制的基础上,引入激光雷达并提出优化的独立变桨控制方法。利用激光雷达可重建风力机前方风场信息的特点,对风力机前方风速进行提前测量。提出并使用统一风演化模型对所测数据进行二次处理,得到更贴近实际的叶轮中心风速,进一步使用所提出的分离测风方法对叶根载荷进行提前计算,根据载荷的计算值进行独立变桨控制。该方法可用于解决由于信号延迟、变桨执行机构延迟导致的风速与桨距角不匹配问题。在保证发电功率平稳的情况下,进一步减小风力机工作时的叶根载荷及轮毂不平衡载荷。使用TurbSim软件生成风模型,并采用Matlab/Simulink及FAST进行联合仿真。仿真结果表明,在额定风况下,不平衡载荷相较于传统独立变桨方法有8.07%~11.17%的减小量,阵风风况下可将冲击载荷峰值减小32.06%。

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面向次同步振荡分析的直驱风电机群建模

胡文波, 贾祺, 刘侃, 严干贵, 安军, 李德鑫

2022, 43(2): 424-435. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0332

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针对低运行工况下直驱风电机群并网出现的次同步振荡（SSO）问题,基于图形化分块建模,在建立风力机、集电线路及电网等独立元件的模型基础上,构造不同集电线路拓扑结构下直驱风电机群的线性化模型。利用特征值分析法和阻抗分析法识别系统中存在的振荡模式,并分析运行工况、电流内环控制参数和风力机数量等因素对SSO频率和阻尼的影响。研究结果表明：d轴电流内环控制参数设置不合理是诱发直驱风电机群SSO的根本原因。在EMTDC/PSCAD中搭建直驱风电机群并网的时域仿真模型,验证了理论分析的正确性。

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考虑电转气消纳风电的电-气综合能源系统两阶段鲁棒协同调度

吴江, 王晶晶, 张强, 张亚超

2022, 43(2): 436-443. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0340

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针对传统随机规划方法和区间优化方法处理风电出力不确定性的不足之处,该文提出含电转气设备的电力-天然气综合能源系统两阶段鲁棒协同调度模型,并考虑天然气网络运行约束对燃气轮机和电转气设备调度出力及备用配置的影响。模型以风电基准场景下系统的日前调度运行成本及最劣风电场景下实时调度成本之和为目标函数,建立具max-min结构的双层优化模型,并在主/子问题求解框架下采用列约束生成（C&CG）方法进行求解。最后,在Matlab平台下构建仿真算例验证所提鲁棒协同调度模型的有效性。

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基于季节指数调整的循环神经网络风速时间序列预测

姜明洋, 徐丽, 张开军, 马远兴

2022, 43(2): 444-450. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0389

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提出一种基于季节指数调整的神经网络风速预测方法。针对历史风速之间的非线性关系,运用神经网络非线性拟合能力并结合季节性指数调整对风速时间序列进行预测。通过时序图法和增广Dickey-Fullerd检验法判断时间序列的平稳性,结果表明该序列为非平稳序列。这种不稳定性说明时间序列中可能包含趋势、季节性、循环和不规则成分的一种或多种,为此采用时间序列分解模型对时间序列进行季节指数调整。最后采用LSTM 和GRU神经网络预测风速,得到了较好的预测结果,且与未调整的数据预测结果及加法模型季节指数调整后的预测结果相比,基于乘法模型季节指数调整的2种神经网络预测结果有更高的风速预测精度。

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基于深度置信网络的短期风电功率预测

袁桂丽, 吴振民, 刘骅骐, 禹建芳, 房方

2022, 43(2): 451-457. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0405

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为解决海量数据用作预测模型训练样本导致信息冗杂的问题,提出一种基于深度置信网络的短期风电功率预测方法。该方法首先使用历史数据作为训练样本,通过深度置信网络无监督学习提取出其相应特征,随后采用K均值算法对提取出的特征进行聚类分析,将历史数据分作几类,并通过判别分析确定待测日所属类别,以该类别所属的历史数据对设置了误差反馈层的深度置信网络进行有监督训练,再将待测日的气象信息输入训练好的深度置信网络模型得到待测日的预测功率。最后使用云南某风电场实际运行数据进行算例分析,证实了该方法的有效性。

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基于风速时空关联的多步预测方法

潘超, 李润宇, 王典, 蔡国伟, 张友会

2022, 43(2): 458-464. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0410

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基于风速的空间关联性提出一种新的多位置多步风速组合预测方法。对风场内各风力机进行灰色关联分析,并据此利用昆虫优化算法进行优选重构,获取目标风力机及临近域空间信息。利用卷积神经网络对重构矩阵进行空间特征提取,并输入长短时记忆网络进行多步预测。最后,将所提方法应用于不同风场进行风速预测,通过对比分析验证所提方法的预测精度和泛化能力。

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基于运行曲线的机械式风力提水机组匹配性设计方法研究

陈雷, 邢作霞, 陈明阳, 徐健, 王湘明

2022, 43(2): 465-470. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0469

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为改善风力提水机组设计中的部件匹配性问题,提高提水机组运行效率,提出一种机泵分离式风力提水机组匹配性设计方法。通过各部件运行曲线之间的工作点追踪与交叉确定风轮、空气压缩机以及隔膜泵之间相匹配的最佳设计点。并依照该方法设计试验样机,通过对样机的监测,各个运行参数之间的相关性与理论一致,样机运行稳定。该匹配性设计方法可普遍适用于机泵分离式风力提水机组,提高机组的寿命和运行效率。

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基于双重速率QDMC的液压型风力发电机组变量马达转速控制

刘微容, 杨帆, 刘婕, 米彦春, 宋昊文, 郭宏林

2022, 43(2): 471-478. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0476

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由于二次动态矩阵控制（quadratic dynamic matrix control,QDMC）算法中二次规划求解计算量大、实时性差等问题,难以满足液压型风力发电机组变量马达转速的高精度快速控制需求。该文提出一种双重速率二次动态矩阵控制算法（dual rate QDMC,DR-QDMC）,将控制增量的求解分解为快速层和慢速层2个时间尺度进行,利用AMESim-Simulink/Matlab联合仿真平台构建液压型风力发电机组的AMESim仿真模型并研究分析DR-QDMC算法性能。仿真实验结果表明,DR-QDMC算法不仅可增强系统控制实时性,而且还能提升变量马达转速控制的快速性和抗扰性。

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基于QR-NFGLSTM与核密度估计的风电功率概率预测

王晓东, 鞠邦国, 刘颖明, 臧彤琳

2022, 43(2): 479-485. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0478

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为提高风电功率概率预测精度和缩短长短期记忆网络的训练时间,提出一种基于分位数回归结合新遗忘门长短期记忆（NFGLSTM）网络与核密度估计的风电功率概率预测方法。该方法对长短期记忆网络的结构改进,提出一种新的遗忘门结构,以缩短训练时间。基于分位数回归和NFGLSTM网络建立组合预测模型,得到风电功率点预测值和某一置信度下的预测区间,采用Cosine核函数的核密度估计求解预测值的概率密度函数。基于某风电场的实测数据的算例分析表明,和传统预测方法相比,该方法可缩短长短期记忆网络的训练时间,提高概率预测精度。

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风力机翼型尾缘厚度对粗糙敏感性影响的研究

黄宸武, 汪涛平

2022, 43(2): 486-491. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0482

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综合应用涡面元和RANS方法,研究DU93-W-210、DU91-W2-250及DU97-W-300这3种常用翼型经尾缘修型后尾缘厚度对粗糙敏感性的影响。在涡面元方法中采用设置固定转捩和在RANS方法中采用设置锯齿形边界条件的方式来模拟翼型前缘污染,研究发现前缘污染造成翼型吸力峰降低,引起翼型气动性能下降,然而随着尾缘厚度的适量增加,翼型最大升阻比及设计升力系数即气动性能的下降率呈减小趋势,表明适当增加尾缘厚度可有效降低风力机叶片粗糙敏感性。

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基于热红外图像的风力机叶片损伤识别方法研究

尹玉, 张永, 王健, 吴国境, 苏力德, 王超誉

2022, 43(2): 492-497. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0592

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针对风力发电机叶片损伤人工检测效率低,受作业人员业务水平制约等因素影响大的问题,提出一种基于热红外图像的风力机叶片损伤识别以及损伤位置判定和损伤大小计算的方法,通过数字图像处理技术在Matlab 2019b平台开发实现。对附有人工损伤的风力机叶片热红外图像采用对比度拉伸、Gabor滤波、二值化阈值分割等方法提取损伤特征,叶片的磨损损伤利用质心确定其位置,裂纹损伤通过2个端点来表征损伤位置。最后根据磨损区域图像面积和裂纹长度,通过几何光学透镜成像法计算损伤大小。该方法实现了风力机叶片损伤的自动识别与测量,提高了风力机叶片损伤的检测效率。通过实验验证,该方法在风力机叶片损伤识别中具有较高的精确性。

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风电机组高柔塔二阶涡激振动特性研究

陶涛, 龙凯, 白欣鉴, 刘永前

2022, 43(2): 498-503. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0993

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针对现有风电机组涡激振动研究侧重于无顶部质量刚塔的一阶涡激振动,忽视有顶部质量高柔塔的二阶涡激振动的不足,开展高柔塔二阶涡激振动特性研究。首先,基于GH Bladed软件建立高柔塔风电机组模型,并通过模态分析得到高柔塔二阶固有频率及模态振型;然后,基于涡激振动相关标准,计算二阶涡激振动作用时各高度处的惯性力;最后,以某型2 MW高柔塔风电机组为研究对象,进行二阶涡激振动特性分析,并与一阶涡激振动特性进行对比。结果表明,高柔塔一阶涡激振动造成的影响较小,可忽略不计;二阶涡激振动易导致塔筒强度不足,存在较大的倒塔风险。

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书介：太阳能LED系统在室内环境艺术设计中的应用探讨

朱睿博

2022, 43(2): 504-505.

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书介：新能源时代企业能源管理标准化的应用和探讨

牙韩司

2022, 43(2): 506.

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