太阳能学报

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特约主编寄语

蒋利军, 梅生伟, 李建林

2022, 43(3): 1-1.

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太阳能制氢关键技术研究

李建林, 梁忠豪, 李光辉, 宋洁, 徐桂芝

2022, 43(3): 2-10. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0037

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围绕太阳能制氢技术展开论述,首先,介绍太阳能制氢技术的研究现状;其次,对于太阳能制氢技术尤其是光催化制氢技术及热化学循环分解水制氢技术,分别从技术原理、关键材料、技术难点等方面进行详细的论述;最后,对太阳能制氢技术研究给出结论及建议,旨在为未来太阳能制氢技术的研发布局和产业技术突破提供参考和思路。

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基于KMO-PCA-BP的燃料电池堆输出电压预测方法

胡兵, 王小娟, 徐立军, 苏昕

2022, 43(3): 12-19. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0066

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质子交换膜燃料电池输出电压为燃料电池健康状态和故障诊断的重要指标,输出电压受单电池电压、工作温度、气体流量、物质流量等参数的影响难以准确预测。为此根据燃料电池实验平台采集的数据集,进行KMO（Kaiser Meyer Olkin）相关性分析,验证数据集适合主成分分析。采用主成分分析随原始数据进行降维处理,确定影响燃料电池输出电压的12个主成分,建立基于KMO测度-主成分分析（principal component analysis,PCA）-BP神经网络（back propagation,BP）的燃料电池输出电压预测模型,并与BP预测模型进行对比分析,验证算法的优越性。采用间隔1.0和0.5 h的数据集进行对比验证,验证算法的泛化能力,预测结果表明,KMO-PCA-BP预测模型能准确预测燃料电池堆的输出电压,具有预测准确率高、预测速度快、泛化能力强的优点。

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高压氢气储运移动式压力容器发展趋势与挑战

李军, 薄柯, 黄强华, 骆辉, 王红霞, 赵继瑞

2022, 43(3): 20-26. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0071

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高压储运是主要氢气储运方式,高压氢气移动式压力容器是主要氢气储运装备。高压氢气储运容器充放频繁,氢气储量大,介质易燃易爆,具有潜在的泄漏和爆炸危险。此外,作为移动式压力容器,对运输效率要求较高,运输环境复杂多变。中国已把氢能列为未来产业,高压氢气储运容器类型和数量也将快速发展。该文总结了高压氢气储运容器主要类型、应用特点,以及国内外技术发展现状及趋势,指出中国高压氢气储运容器发展中面临的问题,并提出研究重点及建议。

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基于多端直流的可再生能源制氢系统运行控制

邓卫, 裴玮, 孔力, 张学, 叶华, 丁立

2022, 43(3): 27-35. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1319

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该文针对可再生能源制氢系统,提出一种涵盖电力电子变压器、电压源型变换器、DC/DC变换器等单元的协同运行控制方法。首先建立基于低压多端直流的可再生能源制氢系统典型结构,分析不同类型电力电子变换单元的本地控制策略;然后,构建系统整体运行模式,并针对各模式提出多电力电子变换单元的控制策略配合与切换方法。最后通过Matlab/Simulink搭建可再生能源制氢系统仿真模型,对提出的协同运行控制方法进行分析验证。

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Ni-Co双金属催化剂上沼气重整制氢宏观动力学

徐军科, 羌宁

2022, 43(3): 36-41. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1220

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用传统湿式浸渍法制备La₂O₃掺杂的商业γ-Al₂O₃负载的沼气重整催化剂Ni-Co/La₂O₃-γ-Al₂O₃,通过对NiCo双金属催化剂上沼气重整制氢在常压下的宏观动力学分析,得出该催化剂上CH₄与CO₂消耗、H₂与CO生成时的表观反应速率方程。通过改变进料中CH₄与CO₂的分压,求出各物质的反应分级数,确定总反应为拟一级反应。通过改变反应温度并利用Arrhenius方程求解出各物质的表观活化能与指前因子,从而推导出常压下反应温度为500~900 ℃时,CH₄与CO₂的表观消耗速率方程以及H₂与CO的表观生成速率方程。

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开关磁阻风电制氢动力传动系统机电耦合动力学分析

刘长钊, 吕雪慧, 秦大同, 陈锐博

2022, 43(3): 42-52. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1064

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为揭示开关磁阻风电制氢动力传动系统的机电耦合作用规律,考虑齿轮系统的详细特性和制氢装置非线性物理细节以及发电机电磁特性,建立包含风轮、齿轮传动系统、开关磁阻发电机、制氢装置的开关磁阻风电制氢动力传动系统机电耦合动力学模型,仿真分析变风况下系统的能量流、机电耦合动力学特性以及并联电解槽数量对系统动态特性的影响。结果表明：相同风速下,他励的制氢功率要大于自励的制氢功率,但他励与自励对传动系统内部动载荷的影响不明显;自励与他励在风速突增过程对系统动态特性略有影响。自励与他励在风速突降过程对系统动态特性有明显影响,他励时系统达到稳态转速时间较长,变速过程产生多次脉冲载荷,增加系统的低频激励;增加并联电解槽数量在一定风速下可增加制氢速率,并联电解槽数量对自励系统的影响不大,但并联电解槽数量增加会恶化他励系统动态特性。

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风氢耦合系统超前控制策略研究

卢捷, 于立军, 郑培, 侯胜亚

2022, 43(3): 53-60. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0533

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针对风电场计划出力跟踪精度不足、储能系统调控不力、输出功率波动较大的问题,本文提出风氢耦合系统超前控制策略,其中风氢耦合系统由风电机组-电解槽-储氢罐-燃料电池耦合而成。基于氢储能系统状态、超短期预测功率及日前计划出力,制定系统调节策略,提出最大化计划出力跟踪能力、最大化储能系统调节能力以及最小化功率波动平滑加权的目标函数,利用布谷鸟搜索算法对出力参数进行逐点滚动优化,实现风氢耦合系统计划出力跟踪能力的有效提高。所提出的超前控制策略能减小系统实际输出与出力计划的误差,保持氢储能系统有效调节能力,减小系统平均功率波动,具有良好的应用前景。

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LSPR效应增强的太阳能光热化学分解水制氢

郑翔升, 李铮, 张遵恒, 吴启亮, 范海东, 张彦威

2022, 43(3): 61-66. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0688

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制备大小2种尺寸Au负载的TiO₂样品（分别记为LAuP25和SAuP25）用于太阳能光热化学循环分解水。全光谱下LAuP25和SAuP25的氢气产量分别为9.90和12.60 μmol/g,可见光下产量分别为3.91和1.15 μmol/g。通过透射电子显微镜（TEM）、X射线能量色散谱（EDS）和X射线衍射技术（XRD）分析样品物质组成与形貌晶格。利用X射线光电子能谱分析（XPS）、紫外可见吸收光谱分析（UV-vis）、固体光致发光光谱（PL）分析样品光学性能与表面价态。运用密度泛函理论计算样品表面氧空位形成能。结合光热化学循环与局域表面等离子共振（LSPR）机理,探究不同尺寸Au纳米颗粒对太阳能光热化学循环分解水的影响。

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增程式燃料电池混合动力有轨电车电源系统优化配置

刘正杰, 朱云芳, 戴朝华, 郭爱, 李密, 陈维荣

2022, 43(3): 67-73. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2019-1359

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为实现燃料电池混合动力有轨电车的经济运行,提出以燃料电池为增程式动力源的运行模式,并通过步进式枚举法对电源系统进行优化配置。首先,定义燃料电池混合动力有轨电车的运行模式及电源系统混合度,构建各电源系统模型;然后,建立电源系统全寿命周期综合成本函数,并考虑约束条件对电源系统进行优化配置;最后,以全寿命周期经济性、充电桩容量、配置燃料电池功率为评价指标,分析增程式运行模式相较于“一站一充”及贯通式运行模式的优势。研究结果表明,增程式运行模式与“一站一充”模式相比,充电桩容量需求可减少65.5%,全寿命周期成本降低7.68%;与贯通式模式相比,配置燃料电池功率减少100 kW,能量补给成本降低15.98%,全寿命周期成本降低10.88%。

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筏式波浪能发电装置锁定控制参数影响研究

刘常海, 曾亿山, 高文智, 胡敏, 陈建, 卫道柱

2022, 43(3): 74-79. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0636

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以筏式波浪能发电装置为研究对象,研究锁定控制响应时间常数、名义锁定阻尼系数和发电系统俘能阻尼系数对锁定控制的影响。结果表明：响应时间常数会影响装置对波浪能的俘获,响应时间常数越小,装置的平均俘获功率越大;名义锁定阻尼系数与俘能阻尼系数之比越大,锁定控制的效果越好,且有锁定控制与无锁定控制的平均俘获功率之比越大;锁定控制使平均俘获功率取得峰值的最佳俘能阻尼系数减小,在最佳俘能阻尼系数下,再实施锁定控制,装置的平均俘获功率还能进一步提高,且有无锁定控制的平均俘获功率之比随波浪周期的增大先增大后减小。

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直管型中心管波能模型的数值计算和实验研究

李猛, 吴必军, 伍儒康

2022, 43(3): 80-86. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0543

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中心管波浪能模型利用浮体自身振荡运动吸收波浪能,使管内水柱产生相对运动,通过外加气动阻尼转换俘获的波浪能。运用HydroStar水动力学软件计算了直管型中心管模型在不同波况下的水动力学性能,对比分析了不同外加气动阻尼对模型俘获宽度比的影响,得到了最佳气动阻尼;研究了模型在3种不同总质量下的性能,得到了最佳响应波周期与模型总质量的关系。在波浪水槽中测试了中心管模型的俘获宽度比,实验结果进一步验证了数值计算结果的准确性。

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海洋结构物波致运动引起海床响应的试验研究

任兴月, 熊芳杰, 谢卓衡, 李兵

2022, 43(3): 87-94. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0518

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波浪作用引起的海洋结构物振动会以循环载荷的方式作用于海床,此类作用方式可导致海床内超静孔隙水压力上升有效应力下降,直至海床液化。为研究海洋结构物波致振动对多孔介质海床内超静孔隙水压力的演化规律,该文通过2台步进电机控制结构物模型运动的方法在水槽中进行试验研究,分别讨论了砂床特性、结构物自重、结构物振动的振幅和周期对海床内超静孔隙水压力的影响,给出了海床在结构物多变的加载振幅和周期作用下的液化特性。结果表明,颗粒直径越小的砂质海床,超静孔隙水压力的累积现象越明显;自重对超静孔隙水压力累积和瞬态变化影响显著;随波致振动的振幅增加或周期减小,超静孔隙水压力的累积及液化深度显著增加;海洋结构物底部海床靠近中部区域的超静孔隙水压力累积的幅值大于端部区域。

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水平轴潮流能发电装置功率特性现场测试分析方法优化及应用

夏海南, 王项南, 张原飞, 郭毅, 薛彩霞, 贾宁

2022, 43(3): 95-100. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0485

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在分析中国水平轴潮流能发电装置研发现状及功率特性现场测试需求和水平轴潮流能发电装置功率特性现场测试分析方法研究成果的基础上,参考欧洲海洋能中心和国际电工委员会发布的潮流能发电装置功率特性测试规程,对水平轴潮流能发电装置功率特性现场测试分析方法进行了深入探讨,提出了水平轴潮流能发电装置能量捕获截面积计算优化方法、平均转换效率计算方法和年发电量估算方法,并应用于水平轴潮流能发电装置功率特性现场测试数据处理与分析中。结果表明,水平轴潮流能发电装置功率特性现场测试分析优化方法相对于已有计算方法提高了能量捕获截面积的计算准确度。

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含储能的三端SOP对主动配电网的潮流优化研究

于文山, 黎明, 由蕤

2022, 43(3): 101-110. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0485

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提出一种含储能的三端智能软开关（SOP）对主动配电网的潮流优化策略,建立以SOP传输的有功功率、无功功率为决策变量,多种约束条件下配电网总有功损耗最小、电压偏差最小的多目标优化数学模型,采用多目标粒子群优化算法求取全局最优解,对SOP的最优接入位置进行选取,实现主动配电网总有功损耗的降低和电压水平的改善。最后,将不同类型的SOP对改进的IEEE 33节点系统的优化效果进行详对比分析,从配电网的潮流优化、经济效益提升2个方面验证所提优化策略的有效性。

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差异化市场下储能运营风险效益评估

周立立, 向月, 延肖何, 李驰宇, 苟竞

2022, 43(3): 111-118. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0504

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储能得益于其充放电的灵活性可应用于多个电力市场并从中获取相应的效益。然而,储能在获利的同时也要承受来自不同市场的风险,且具有高利润的市场往往伴随着高风险,因此很有必要评估不同市场的风险效益并优化储能应用于不同市场的容量,以期在最小的风险水平下实现效益最大化。提出一种差异化市场下的储能运营风险效益评估方法,考虑能源服务市场、对等交易服务市场、阻塞服务市场等3个储能可参与的市场,并应用投资组合理论建立各个市场下的收益率及风险计算模型及储能容量优化分配模型。研究结果表明提出的模型对于指导储能运营商参与不同市场的风险效益评估及其容量分配有较好的理论及现实指导意义。

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压缩空气/二氧化碳储能系统的运行方式研究

韩中合, 孙烨, 李鹏, 胡庆亚

2022, 43(3): 119-125. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0413

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为深入研究不同工质和输出方式对太阳能-先进绝热压缩空气/二氧化碳联合储能系统性能的影响,提出4种运行方案。通过仿真计算,对比分析4种不同方案下系统的热力学与经济学特性,并研究关键参数对系统性能的影响。结果表明：采用二氧化碳为工质,只输出电能时系统的储能效率最高。而采用二氧化碳为工质,同时输出电能和热能时系统的年利润率最大。4种方案的储能效率与年利润率均随时间间隔的延长而降低。而随着对流传热系数越来越大,系统的储能效率与年利润率均先降低后升高。工质初始压力越高,4种方案的储能效率与年利润率就越高。

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基于半不变量及最大熵原理的静态电压稳定概率分析

郑晓钿, 夏成军

2022, 43(3): 126-132. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0628

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针对含不确定出力的静态电压稳定分析问题,提出一种基于半不变量及最大熵原理的静态电压稳定概率分析方法。首先,应用拉丁超立方采样法随机生成若干场景后利用K-均值算法进行场景聚类,获取每簇场景的高阶矩和半不变量等数字特征,进而建立最大熵模型拟合负荷裕度的概率分布曲线,将每一簇的分布曲线加权后求得总的分布函数;最后,在IEEE 30节点系统上进行仿真实验,计算结果与蒙特卡洛法结果进行比较和验证。

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基于激励型需求响应的主动配电网态势利导方法

杨晓萍, 张凡凡, 解骞, 张蒙, 高明昊

2022, 43(3): 133-140. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0587

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该文从负荷角度出发,提出一种基于激励型需求响应的主动配电网态势利导方法。首先,基于激励型需求响应提出主动配电网最大供电能力模型;接着以供电能力为主要依据,综合考虑系统供电可靠性、系统安全性和分布式电源出力波动等因素,建立主动配电网安全态势评估体系,采用模糊层次分析法得到计及激励型需求响应前后网络的预警值;最后对扩展的IEEE RBTS-Bus4系统进行仿真分析。结果表明该文所提出的方法能够有效改善主动配电网的运行状态,提高系统的安全防御能力。

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基于暂态电流故障分量的直流配电网单极故障选线方法

高淑萍, 段必聪, 宋国兵, 邵明星

2022, 43(3): 141-146. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0682

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基于两电平电压源换流器（voltage sourced converter,VSC）的中压柔性直流配电网适合风能、太阳能等分布式能源的接入,但发生单极接地故障时,其故障电流会迅速增大,保护装置必须快速识别出发生故障的线路。针对该问题,分析VSC端的单极接地故障时的暂态特征,对暂态故障电流的变化特征进行理论分析计算。根据各条线路的暂态故障电流信息的差值进行故障选线,所提方法可在3 ms内对故障快速可靠识别。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建适合辐射状中压柔性直流配电网模型,利用Matlab进行保护选线算法的验证,仿真结果表明,所提选线方法能够准确识别柔性直流配电网的单极接地故障的线路。

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基于多晶硅金刚线切割工艺的光伏生命周期分析

李兴盛, 胡向然, 郑淞生, 李钷, 王兆林

2022, 43(3): 147-151. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0082

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金刚线切割工艺已经成为当今光伏产业硅片生产的主流技术。该文采用生命周期分析方法,以1 kW多晶硅太阳电池光伏发电系统为模型,研究使用金刚线切割工艺替代原来的砂浆切割技术后,这一技术更新所带来的光伏产品的能耗和碳排放量的降低效应。计算表明：应用金刚线切割工艺的光伏系统生命周期碳排放为1358.53 kg/kW,金刚线切割工艺较砂浆切割工艺减少碳排放290.83 kg/kW,相当于砂浆切割工艺总碳排的17.6%,减少了电力消耗和资源耗费。以年日照时数1800 h/a计算,基于金刚线切割技术的光伏系统全生命周期碳排放回收期可缩短至1.62 a。

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具有初始退化随机特征的光伏组件可靠性评估

鄢伟安, 孔文琪, 刘卫东, 熊玉辉, 张金晶

2022, 43(3): 152-157. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0679

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基于逆高斯过程,考虑到初始退化具有随机特征,建立光伏组件的性能退化模型,并对其可靠性进行评估。失效机理分析表明,光伏组件的退化过程主要表现为输出功率的衰减,其衰减具有单调、随机特征,且初始退化也具有随机特征,据此建立光伏组件带有时移的逆高斯性能退化模型;基于极大似然估计方法,给出模型参数及可靠度函数的估计;基于所建模型,对光伏组件退化实例进行分析,通过与传统逆高斯退化模型进行比较,表明所建模型能更为准确地描述光伏组件的退化规律,所得可靠度估计结果更为符合实际。

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发射极掺杂工艺对产业化IBC太阳电池性能的影响

张治, 邹鹏辉, 刘志锋, 赵影文, 包杰

2022, 43(3): 158-162. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0669

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主要对n型IBC太阳电池结构的发射极硼掺杂工艺进行优化设计,并通过ENDA2模拟软件对实验结果进行验证分析,通过复合损失分析,研究不同发射极硼扩工艺对产业化IBC太阳电池电性能的影响。实验结果表明,采用较高推进温度的硼扩散工艺,获得发射极方阻98 Ω/sq,该发射极具有最低的表面浓度1.68×10¹⁹cm^-3和最深结深0.88 μm,使得电池具有最低的复合损失（J_0,pass=24 fA/cm²）。在25 ℃下,AM 1.5的标准I-V测试条件下,采用最优硼扩散条件制作的IBC太阳电池,其最高电池转化效率为23.4%（V_oc=688.4 mV,J_sc=41.99 mA/cm²,FF=80.9%）。进一步地,通过数值模拟的方法对该电池各部分功率损失进行分析,可为下一步电池效率的提升提供优化方向。

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应用于LC型逆变器电容电压有源阻尼控制的微分器

侯世英, 叶江丹, 赵凯林, 王永胜

2022, 43(3): 163-170. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0662

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以单相LC型离网逆变器为研究对象,针对传统微分器的不足,提出一种改进型数字微分器设计方法,改进型微分器与理想微分器的频率特性基本相同。最后,将改进型的微分器应用于电容电压有源阻尼控制策略中,硬件实验结果证实了所提方法的可行性。

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双面光伏组件发电性能影响因素理论与实验研究

张臻, 王磊, 秦志光, 伍敏燕, 许传佳, 全鹏

2022, 43(3): 171-179. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0634

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基于视角系数模型,理论计算与实验分析双面光伏组件的背面辐照度分布,根据组件背面的辐照度模型和太阳电池等效电路的单二极管模型,采用I-V曲线叠加法计算其微失配损耗;并提出简化反射光谱模型准确计算反射太阳光谱,以光谱失配因子量化反射光谱对双面组件背面发电性能的影响,结合组件背面辐射视角系数模型,建立双面组件背面功率输出的计算方法。针对影响双面光伏组件发电性能影响因素,进行仿真和实验,结果表明：双面光伏组件的因背面辐照不均匀引起的微失配损失一般小于3.0%,草地、水泥地面、雪地的损失分别为0.3%~0.5%、0.5%~1.0%、1.0%~3.0%,由于光伏组件安装架的遮挡,微失配损失将增加0.5%~3.3%;不同安装地面下,双面光伏组件背面反射光谱差异大,通过反射光谱修订能将双面光伏组件背面功率预测准确率由76.3%提升到92.3%。

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基于动态阻抗匹配控制下的光伏冷库性能研究

周晓艳, 马逊, 李明, 胡承志, 李国良, 王云峰

2022, 43(3): 180-187. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0594

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为确保光伏制冷的运行性能,该文针对离网型光伏冷库采用动态等效阻抗匹配的控制策略,通过阻抗变换器进行脉宽调制输出不同占空比,使光伏发电输出与负载相匹配,构建光伏最大功率点等效阻抗与温度、辐照度和标准测试条件下最大功率点等效阻抗之间的数学模型。基于所提的控制方法,搭建一套5.4 kW的分布式光伏直驱冷库实验系统,研究表明,采用动态等效阻抗匹配的控制方法能有效改善太阳辐射波动性对光伏冷库的影响,控制后的光电转换效率、制冰量和制冷系统利用率与常规控制的系统相比同比提高41.0%、64.1%和63.5%,为光伏冷库在优化控制方面提供了理论分析及实验参考。

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非晴空条件下光伏发电短期功率预测方法

王清亮, 杨博, 应欣峰, 宋曦, 高梅

2022, 43(3): 188-196. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0582

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针对非晴空条件下光伏发电短期功率预测精度不高的问题,提出一种基于自适应混合核的相关向量机光伏发电短期功率预测方法。通过构造混合核函数和自适应寻优核参数来增强预测模型的泛化和学习能力,建立对多尺度多模态变化数据的映射关系,实现光伏发电功率随机性波动规律的机器学习和有效捕捉。采用关联系数筛选历史相似日,通过历史相似日数据自动确定最优预测模型。最后,采用美国俄勒冈州某光伏电站的实测数据进行实验,对比该文方法与其他预测方法的功率预测精度。结果表明该文预测方法在非晴空条件下对光伏发电短期功率预测精度最高。

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基于CNN-Bi-LSTM的太阳辐照度超短期预测

倪超, 王聪, 朱婷婷, 过奕任

2022, 43(3): 197-202. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0581

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针对太阳辐射引起光伏出力的不确定性和波动性,进而造成大量光伏发电并网时对电网稳定性和安全的危害,提出一种新的太阳辐射超短期预测方法。该方法通过构建一维卷积神经网络,对多个关键气象变量进行数据融合和特征转换,然后构造双向长短期记忆网络预测模型,实现对未来15 min的太阳总辐照度的超短期预测。实验结果表明,所提出的预测模型相对传统的机器学习方法可有效提高超短期太阳总辐照度的预测精度,且相对持续模型在相对方差上提高了约14%。

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光伏-蓄电池联合供电系统中三端口变换器的解耦控制研究

王荣闯, 王杉杉, 高明, 余伟臣, 石健将

2022, 43(3): 203-209. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0578

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为降低光伏-蓄电池联合供电系统中的双Buck/Boost与双有源桥集成式三端口变换器多控制回路间的耦合程度,提出基于小信号模型的解耦控制策略和基于大信号模型的解耦控制策略,并搭建一台400 W的实验样机进行验证。结果表明2种策略均可降低多控制回路的耦合程度,但基于小信号模型的解耦控制效果对于静态工作点敏感程度高,基于大信号模型的解耦控制效果对静态工作点敏感程度低,且在全功率范围内效果均优于基于小信号模型的解耦控制策略。

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光伏组件清洁移动机器人地形分类方法研究

李翠明, 刘爽, 龚俊

2022, 43(3): 210-215. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0551

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针对移动机器人在光伏组件清洁过程中对光伏电站的非平坦地形分类问题,提出采用W-MC-MS准则优化视觉词袋模型的分类方法对地形图像进行分类。首先,对采集到的光伏电站实际地形图像进行SIFT特征提取,然后将这些特征利用K均值聚类算法进行聚类计算,生成地形图像的初始码本词典;引入W-MC-MS准则对其进行优化,以降低码本词典规模,提高视觉地形分类性能。实验以地形图像的平均分类精度和分类时间代价作为评价标准,对比码本词典优化前后的分类性能,验证了优化方法在地形分类中的有效性。

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基于拓展移相调制的双有源桥回流功率优化策略

李彦君, 张兴, 赵文广, 钱尼信, 王付胜

2022, 43(3): 216-222. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0546

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在光伏直流汇聚与消纳领域,针对双有源桥DC-DC变换器由于回流功率导致效率降低的问题,在扩展移相调制的基础上,提出一种基于移相比坐标变换的回流功率优化调制策略。所提策略简化了不同模式下的传输功率数学模型,给出了回流功率分段优化运行轨迹,保证了传输功率与坐标变换后外移相比的单调性,根据坐标变换后的外移相比寻求最优移相比组合,无需负载侧电流传感器即可实现任意电压变换比下回流功率最优。仿真与实验结果验证了所提方案的有效性。

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不同电池宽度半透明光伏窗天然采光分析

高静, 彭晋卿, 王韬宁, 薛鹏, 罗伊默, Eleanor S. Lee

2022, 43(3): 223-230. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0541

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为了模拟不同太阳电池宽度对半透明光伏窗采光性能的影响,提出将非透光电池和透光玻璃间隙分开模拟的新方法,并使用实验数据验证新方法和模型的准确性。通过与实验结果的差异分析,采用新方法模拟所得到的照度和眩光可能性（DGP）的准确性均明显优于传统方法。采用新方法对太阳电池覆盖率相同但电池宽度分别为2.5、5.0以及7.5 mm的3种半透明光伏窗的天然采光特性进行模拟研究,并采用全天然采光时间百分比（DA）、有效天然采光照度（UDI）、天然光眩光指数（DGI）、眩光可能性（DGP）等指标对不同电池宽度光伏窗的采光和眩光性能进行对比分析。结果表明,随着电池宽度增加,室内平均DA和UDI逐渐减小,产生眩光的可能性增加,室内视觉舒适度下降。该文提出的方法使得研究不同电池宽度条件下半透明光伏窗的采光和眩光性能变为可能,且利用该方法得出相同电池覆盖率下最佳的电池宽度。

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异质结光伏组件的发电效果研究

郭晨, 邹晗, 孙子元, 王永明, 叶志江, 王军

2022, 43(3): 231-235. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2019-1150

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为研究异质结光伏组件的实际发电效果,收集某光伏发电站近两年的发电量数据,得到单块组件的月均发电量。通过对比分析,验证该异质结光伏组件相对于多晶光伏组件在发电效率方面的优越性,且与理论增益相符。通过计算冬夏两季的月均发电量和月均辐照度,证明相比多晶光伏组件,温度升高对该异质结光伏组件的功率影响更小,与理论上异质结光伏组件的功率温度系数更小相符。通过研究组件的单日发电功率,发现异质结光伏组件体现发电效率优势需要有较强的辐照度。

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基于熵权法的光热耦合综合能耗的百叶外遮阳控制策略

刘国丹, 纪铱行, 滕润, 梁树维, 王志欣, 李传锐

2022, 43(3): 236-241. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0706

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为探究百叶外遮阳控制策略对室内光环境、热环境及综合能耗3个方面的综合影响,采用熵权法建立光热耦合综合能耗的评价模型,利用EnergyPlus软件模拟青岛某办公建筑夏季不同百叶外遮阳角度下的光热环境及能耗,利用评价模型对光环境、热环境及综合能耗进行综合评分,最终确定最合适的百叶外遮阳角度。研究结果表明,该百叶外遮阳控制策略不仅可改善室内人员的光、热舒适状况,还能节约室内综合能耗,可为百叶外遮阳控制策略的研究提供参考。

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正交各向异性相变材料的无网格法传热模型及应用

张建平, 胡慧瑶, 吴淑英, 刘庭显, 王志奇, 黄健

2022, 43(3): 242-250. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0671

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利用无网格迦辽金（EFG）法建立正交各向异性相变材料的传热计算模型,基于该模型编程完成各向异性材料太阳能相变蓄热水箱和管壳式相变蓄热单元的相变传热分析,并探讨热导率因子和材料方向角对复合材料相变传热特性的影响。研究表明：在相同节点布置下EFG法的温度场和相界面计算精度均高于有限元法,EFG法在动态相界面追踪方面具有明显优势。增大热导率因子并减小材料方向角可有效增强复合相变材料传热性能,加快相变速度,提高太阳能相变储能装置的蓄/放热效率。对于各向异性材料太阳能相变蓄热水箱和管壳式相变蓄热单元,热导率因子和材料方向角的合理取值范围分别为4~6和0°~15°。

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负压对太阳能加湿除湿产淡水性能的影响

王岳, 季旭, 闫磊磊, 邓佳, 王聪, 李永远

2022, 43(3): 251-255. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0648

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为提高淡水产量,设计一种太阳能负压式太阳能加湿除湿海水淡化系统,通过减小加湿腔体内压强来增加湿空气中含湿量,湿空气分别在液环真空泵和除湿腔内冷凝收集得到淡水。湿空气中含湿量上升,日产淡水总量增加。当湿空气温度70 ℃时,加湿腔压强从90 kPa减至70 kPa,含湿量增加154.9 g/kg;加湿腔压强70 kPa时,12：00—14：00可稳定产淡水1.8 kg/h以上,最高可达2.1 kg/h。装置性能系数GOR最高可达1.7。

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CPC不同方位辐射量及最佳倾角计算

马明瑞, 李明, 吴德众, 李国良, 周国富

2022, 43(3): 256-262. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0590

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针对复合抛物面集热器（CPC）接收辐射量和集热性能受方位角和倾角影响的关系。分别分析了CPC不同放置方式下接收到的太阳辐射及对应最佳倾角,得到方位角与最佳倾角的关系,结合不同地区研究CPC最大太阳辐射量与倾角、方位角之间的关系。结果发现,大多数地区全年最佳倾角位于当地纬度附近,相差5°以内,侧重冬半年使用应采用较大的倾角,夏半年采用较小的倾角;正南方向为最佳方位,太阳辐射随着方位角增加而降低,当CPC偏离正南方向时,应降低倾角来减小太阳辐射损失。对正南朝向下不同倾角CPC倾斜面接收辐射量进行了测试,验证了理论计算的准确性。并对不同倾角CPC的集热性能进行研究,最佳倾角的确定可使瞬时热效率提高3.9%以上,在CPC的应用中可以提高实际应用价值。

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非均质温差发电器的性能分析

文康凯, 黄跃武

2022, 43(3): 263-267. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0575

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建立非均质温差发电器（TEG）理论模型,考虑热电材料的非均质导热系数以及温差发电器与热源间的传热热阻的影响,分析非均质温差发电器的一般性能。讨论热电元件对数、热导率、高温热源温度对非均质温差发电器性能特性的影响。结果表明,相较于均质温差发电器,导热系数不均匀强度越大,非均质温差发电器的最大输出功率和最大效率越高;热电元件对数、热导率、高温热源温度的提高均可提升系统性能。

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太阳能驱动风冷喷射式绝热吸收制冷循环研究

候召宁, 王林, 闫晓娜, 谈莹莹, 李修真

2022, 43(3): 268-273. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0520

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为改善太阳能吸收制冷循环性能并解决太阳能吸收制冷机风冷化问题,提出一种太阳能驱动的风冷喷射式绝热吸收制冷循环,通过喷射式绝热吸收器实现吸收过程的传热传质分别强化,同时回收高压溶液节流损失和再循环溶液的余压,以进一步增强吸收效果。构建组成循环各部件热力学数学模型,探讨了环境温度、发生温度、蒸发温度以及喷射器对新循环的影响,并与2种传统吸收制冷循环进行了比较分析。结果表明,存在最佳发生温度使得新循环最大热性能系数（COP_T）;引入喷射式绝热吸收器显著改善了极端条件下新循环性能,设计工况下新循环的热性能系数（COP_T）和电性能系数（COP_E）较风冷绝热吸收制冷循环分别提高了7.69%和43.59%,较水冷非绝热吸收-喷射制冷循环分别提高了2.44%和273.86%。

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用于太阳能超临界CO₂布雷顿循环的流态化颗粒换热试验与模拟

应振镇, 杨天锋, 陈冬, 倪明江, 岑可法, 肖刚

2022, 43(3): 274-281. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0409

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搭建30 kW浅层多级流态化颗粒换热试验台,在约1.5倍临界流化速度、换热器采用直管管束逆流形式布置时颗粒侧换热系数可达590~860 W/（m²·K）。采用双欧拉流体模型对流化床内水平埋管管束换热进行数值模拟,模拟结果与试验结果偏差在10%以内。利用析因设计与线性回归模型研究颗粒粒径、颗粒导热系数和流化气体速度对流态化换热效果的影响。发现颗粒粒径是换热系数的主要影响因素,流化气体速度是次要因素。对于100 MW级太阳能超临界CO₂布雷顿循环系统,流态化颗粒换热温度范围为650~900 ℃,换热器热效率约为98.7%,效率约为80.6%,效能约为61.9%,满足设计要求。

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太阳能热发电站熔盐储罐首次充盐策略研究

韩伟, 崔凯平, 刘欣, 韩振兴, Francisco Mangas

2022, 43(3): 282-287. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2019-1392

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通过计算流体动力学（CFD）模拟计算分析某实际工程设计阶段的充盐策略参数,对储罐内熔盐温度和储罐壁面温度的影响,通过分析模拟结果后确定在项目具体实施阶段采用预热系统及电加热器系统配合的充盐策略。通过将此充盐策略用于实际商业项目第1次充盐过程,效果良好,储罐整体温度较为均匀,同时也发现在第1次充盐过程中储罐基础存在较为明显的散热作用,应当引起足够重视。

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前曲扭角增加式叶尖气动特性研究

田德, 陶立壮

2022, 43(3): 288-293. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0877

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以某150 kW水平轴的风电机组叶片为研究对象,提出一种朝来流风方向圆弧式前曲、扭角增加的降载叶尖外形;建立以扭角增量A、弯曲角度B为变量的16组叶尖几何模型,为探究该降载设计叶片最佳适用风况,建立考虑扭角增量、弯曲角度及风速的三因素四水平正交试验表,借助ICEM完成多组仿真模型的网格划分,利用Fluent单一旋转坐标系法对叶片进行流场分析,获得各组模型的转矩、推力等参数,采用因子效应对风速、弯曲角度、扭角增量进行评估。结果表明,在接近约9 m/s风速时,叶尖扭角增量为10°,弯曲角度为30°的前曲增扭叶片具有最优的降载特性,相较于初始叶片,在保证功率基本不损失的情况下,轴向推力减少约6.5%。

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海上风电宽浅式筒型基础竖向极限承载力上限解

汪嘉钰, 刘润, 陈广思, 杨旭

2022, 43(3): 294-300. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0664

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由于宽浅式筒型基础具有不同于传统筒型基础的超大直径（D≥30 m）和较浅入土深度（d≤15 m）,因此其竖向承载模式和极限承载力计算方法有待研究。通过数值分析得到宽浅式筒型基础在达到竖向极限承载力时的破坏模式,引入承载力极限分析理论,构建宽浅式筒型基础竖向极限承载的地基破坏机动场;结合虚功方程采用Matlab求解宽浅式筒型基础竖向极限承载力的上限解,计算结果与数值分析结果和离心试验结果吻合良好。

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基于叶片变形偏航下风力机叶片绕流流场的研究

牛佳佳, 张立茹, 焦雪文, 汪建文

2022, 43(3): 301-305. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1123

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针对偏航工况下风力机叶片与流场之间的相互作用而产生的变形影响叶片绕流流场问题,基于叶片变形对不同偏航工况下水平轴风力机叶片绕流流场进行双向流固耦合数值计算,分析偏航工况对风力机叶片变形和表面应力的影响,在此基础上研究不同偏航工况对叶片绕流流场的影响。结果表明,不同叶片上的变形和应力呈现不均匀性,且随偏航角增大,不均匀性增大;随风速和叶尖速比增大,叶片最大变形量对应呈增大和减小的趋势;随偏航角增大,叶根最大应力集中区域逐渐减小,叶片后缘应力逐渐减小。沿叶片展向,从叶根到叶尖,轴向速度逐渐增加,叶尖增大的程度较叶根大,随偏航角增大,叶尖位置的轴向速度增大的程度降低;涡量逐渐减小,随偏航角增大,对叶尖涡量影响较中心涡量大;湍动能总体呈先减小后增大的趋势,且当偏航角为5°~25°时在相对半径0.6R（R为风轮半径）位置处为最小,偏航30°在0.7R处为最小。

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基于二阶滑膜-PID控制的风力发电机最大功率跟踪策略研究

李浩, 朱才朝, 樊志鑫, 谭建军, 宋朝省

2022, 43(3): 306-314. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0702

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针对风电机组最大功率跟踪（MPPT）及其控制过程稳定性需求,该文提出一种二阶滑膜-PID（PSOSMC）最大功率跟踪控制策略。为了实现对发电机转矩的稳定控制,通过结合二阶滑膜控制策略与PID控制,由比例积分导数（PID）构建滑模面进而推导出转矩控制律,建立基于PID滑模面的二阶滑膜控制系统模型,并利用Lyapunov稳定性定理证明了控制系统的收敛性。该文从气动效率、发电效率、发电机转矩和低速轴转矩等方面对二阶滑膜-PID策略的有效性进行了评估。研究结果表明,相较于其他控制策略,该文提出的PSOSMC策略能有效提高风电机组的发电效率,并显著降低发电机与低速轴转矩的波动,使风电机组在获得最大功率输出的同时还兼顾有良好的运行稳定性。

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计入齿形误差的风电机组行星齿轮传动系统动态特性研究

孙占飞, 周建星, 章翔峰, 姜宏, 邵媛, 郭旭

2022, 43(3): 315-322. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0685

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以风电机组行星齿轮传动系统为研究对象,考虑齿形误差因素,建立行星齿轮传动系统平移-扭转动力学分析模型,研究分析各阶次误差对系统动态特性的影响。通过对模型求解,得到不同形式误差下系统动载荷的时域历程和频谱,分析不同形式误差对系统动载荷、太阳轮浮动轨迹以及系统均载性能的影响。研究得出在太阳轮计入齿形误差后,系统动载荷波动以及频谱幅值有明显变化,三阶误差尤为明显,负载较小时二阶误差可适当降低系统动载荷,渐开线内的一阶误差显著加剧动载荷的波动并使太阳轮中心浮动轨迹半径大幅增加,且对系统均载性能影响最大,渐开线外的一阶误差对动态特性的影响极其微小。

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考虑负荷响应的冷电联供双层调度策略

郑浩, 崔双喜, 郑娟强, 王飞林

2022, 43(3): 323-329. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0673

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为了提高清洁能源消纳率,解决负荷侧能源调度不足的问题,提出负荷层和冷电联供双层调度策略。首先负荷层对不同形式的负荷进行分类建模,然后通过源荷协调模型调整负荷转移或削减,匹配风电出力时序增加清洁能源消纳;其次调度层依据市场电价优化系统运行经济性,协调出力设备功率曲线。最后采用禁忌-细胞膜混合算法对双层调度模型求解。通过算例分别对比4种运行方案下系统各设备的运行情况,验证所提策略的可行性和有效性。

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基于改进径向基神经网络的风电叶片模温串级PID控制算法

李建伟, 张磊安, 黄雪梅, 张倩倩, 王冠华

2022, 43(3): 330-335. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0640

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针对风电叶片模具电加热系统中被控对象存在的大惯性、非线性、干扰多等问题,提出一种基于改进径向基（RBF）神经网络的串级PID温度控制方法。首先,采用RBF神经网络结构对常规PID串级控制主回路结构进行优化,在此基础上,引入双动量因子,对主控制回路的输出Jacobian信息进行系统辨识,进而实现对控制器参数的自适应整定;其次,采用Kalman滤波器对主回路的输出噪声进行滤波,以消除外部扰动对系统辨识效果的影响;最后,搭建电加热试验平台,通过现场试验对上述算法的控制效果进行分析。仿真及现场试验结果表明：改进的径向基神经网络串级PID温度控制系统相较于常规串级控制具有响应快、超调低、抗干扰能力强等优点,且在主控制回路中的Kalman滤波算法能有效消减系统的输出噪声,可在很大程度上提高控制性能。

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摇摆式垂直轴风力机气动特性数值模拟

孟令玉, 赵振宙, 陈明, 江瑞芳, 冯俊鑫, 玛尔瓦提·黑扎提

2022, 43(3): 336-342. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0622

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针对垂直轴风力机无需对风,湍流风风向不断变化的情况,提出转轮轴向力随风向摇摆的垂直轴风力机,利用摇摆产生的切向风和来流风共同作用下的风能,提高气动性能。采用RNG k-ε湍流模型对三叶片摇摆式风力机进行模拟,研究风向变化的周期、幅角以及摇摆迟滞时间对固定式和摇摆式垂直轴风力机力矩系数的影响规律。结果表明：与固定式垂直轴风力机相比,该摇摆式垂直轴风力机能有效改善部分方位角的力矩系数,增大风力机的输出功率。

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基于S-SLLE的风电机组齿轮箱故障诊断方法研究

王翔, 王金平, 许万军

2022, 43(3): 343-349. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0601

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针对风电机组齿轮箱结构复杂、受交变载荷和恶劣工作环境影响容易出现故障导致停机的问题,提出基于统计学K-均值聚类理论的统计型监督式局部线性嵌入流形学习（S-SLLE）特征维数约简方法,首先通过对齿轮箱振动信号时频域故障特征提取,剔除冗余特征向量,减少诊断模型的复杂度和计算量,再利用RBF核支持向量机分类器建立诊断模型,对S-SLLE提取的特征向量进行分类识别,以提高故障诊断模型的识别率。最后利用MFS机械故障模拟综合实验系统进行齿轮箱多类振动故障实验,通过对其实验故障信号的分析处理,其诊断实例结果验证了提出的S-SLLE RBF-SVM诊断模型能准确有效地进行风电机组齿轮箱故障诊断识别。

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基于模态参数的在役风力发电机叶片损伤识别研究

顾永强, 冯锦飞, 张哲玮, 田志昌, 宫云龙

2022, 43(3): 350-355. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0598

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通过对小型风力发电机叶片进行停转与运转状态下多种损伤工况的数值模拟,进行模态分析,以此研究叶片损伤识别与定位的方法,并提出加权柔度曲率指标,建立加权柔度曲率值与刚度损伤值的拟合函数。研究得到：首先通过自振频率的变化可判断叶片是否发生损伤;其次无论叶片是否发生损伤,随着叶片转速的增大,其固有频率都会增大。加权柔度曲率值在损伤位置处产生突变,表现为尖峰凸起,且随着损伤程度的加剧,损伤位置处尖峰凸起越发明显。

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海上风电多端柔性直流并网系统频率支持研究

陈鹤林, 郑晓云

2022, 43(3): 356-365. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0593

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针对海上风电多端柔性直流（VSC-MTDC）并网系统,重点研究风电VSC-MTDC对岸上电网调频功能。通过建立详细风电场、换流站和电网模型,提出一种适用于海上风电VSC-MTDC并网系统动态频率调节方法,即改进斜率控制。整个海上风电场VSC-MTDC加入改进斜率控制后,可使有功功率在若干岸上换流站之间合理分配,从而确保相应岸上电网有功功率平衡,实现VSC-MTDC对于岸上电网频率调节,提升电网频率稳定性。同时给出风电VSC-MTDC对于电网调频的量化指标,即参与调频贡献指数和参与调频能力指数,分别反映VSC-MTDC参与电网调频贡献的能量和瞬时调频能力。在PSCAD/EMTDC仿真平台下搭建一个四端海上风电VSC-MTDC并网系统的仿真模型,并进行动态仿真,其中一个岸上电网发生负荷变化、频率偏移时,风电VSC-MTDC系统实现电网调频控制,仿真结果验证所提并控制方法可为电网频率稳定提供帮助。

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风速差异条件下的风电场自适应频率响应控制方法

王康, 万天虎, 李华, 黄昆, 寇鹏

2022, 43(3): 366-372. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0584

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提出一种适用于大型风电场的自适应频率响应控制方法,使风电场能参与电力系统频率调节。低频事件发生后,每台风电机组的下垂控制系数均根据其本地实时风速和功率裕度呈反比例自适应调节。高频事件发生后,每台风电机组的高频响应控制增益随其本地实时风速自适应调节。由此,风电场频率响应支撑功率可自适应的在多台风速各异的风电机组之间实现合理分配。该方法充分考虑频率响应过程中多台风电机组之间的风速差异,不仅可提高风电场整体的频率响应能力,而且可确保频率响应过程中每台风电机组的稳定运行。在Matlab环境下进行相关仿真实验,结果验证了所提控制策略的有效性。

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基于增强形态滤波与三阶累积量对角切片谱的风力发电机滚动轴承故障诊断方法

罗园庆, 陈长征, 赵思雨

2022, 43(3): 373-381. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0577

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针对大型风力发电机滚动轴承的故障信号受到强背景噪声干扰不易识别的问题,提出一种基于增强形态滤波与三阶累积量对角切片谱相结合的故障诊断检测方法。该方法首先在研究基本形态学算子的基础上,构建一种新的增强型形态学算子（EMDO）;随后利用特征能量因子（FEF）选择出EMDO算子的最优结构元素尺度;最后利用三阶累积量对角切片谱的消噪性能来进一步增强EMDO算子对风力发电机轴承故障信息的特征提取能力。仿真和对比实验结果表明,所提方法能有效消除高斯白噪生的干扰,对提取风力发电机轴承的故障特征信息起到增强的效果。

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恒幅载荷下复合材料剩余刚度退化模型

宋江北, 安宗文, 汤婷, 马强, 黄涛

2022, 43(3): 382-387. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0562

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在分析现有纤维增强复合材料层合板疲劳累积损伤模型的基础上,根据复合材料层合板疲劳损伤演变过程和剩余刚度退化规律,提出一种用于描述恒幅疲劳载荷作用下复合材料层合板刚度退化规律的模型。该模型适用于描述复合材料层合板的三阶段非线性刚度退化轨迹。通过T300/HT3复合材料层合板、玻璃纤维/环氧复合材料层合板以及T300/QY8911复合材料层合板试验数据对模型的有效性进行验证,结果表明,相对于现有模型,该文所提模型适用性更广、拟合优度更高,能更精确地描述复合材料层合板疲劳损伤过程中的剩余刚度退化规律。

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基于Kriging模型与MOGA算法的风力机主轴轻量化设计

万云发, 孙文磊, 王宏伟, 徐甜甜, 王炳楷

2022, 43(3): 388-395. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0558

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为了实现风力机主轴轻量化设计,首先根据有限元结果,以质量为目标函数,应力、变形为约束条件建立数学模型。然后利用实验设计方法（DOE）获得初始样本点,并应用Kriging模型建立响应面,得到各设计变量对应力、变形和质量的影响程度和变化趋势,同时获得局部最优解。最后利用多目标遗传算法（MOGA）进行优化,通过1100次迭代,获得全局最优解。实现主轴减重10.71%,可为风力机其他零部件轻量化设计提供参考性优化设计方法。

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钢-混凝土组合式风力发电塔架地震响应分析

陈俊岭, 王大伟, 冯又全

2022, 43(3): 396-404. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0556

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钢-混凝土组合式风力发电塔架上部为钢塔筒,下部为混凝土塔筒,高度方向具有较大的质量和刚度突变,其在地震作用下的响应和传统单管式钢塔架显著不同。利用ABAQUS对同一风电场的2.0 MW单管式钢塔架和组合式塔架建立精细化模型,选取3种场地条件,采用振型分解反应谱法计算2种塔架的地震响应并进行对比。针对3种场地条件,选取相应的地震波对组合式塔架进行非线性时程分析。分析结果表明,振型分解反应谱法直接用于计算组合式塔架的地震作用偏不安全,工程设计时需要补充时程分析;组合式塔架的内力响应和塔顶水平位移响应分别在中硬土场地和软弱土场地达到最大;前3阶振型对塔架的动力响应均有影响,2阶振型响应最大,高阶振型影响显著。

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基于广义预测控制的风电场调频控制策略研究

刘颖明, 王树旗, 王晓东

2022, 43(3): 405-410. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0555

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为降低通信延迟对风电参与二次调频时频率稳定性的影响,提出一种基于系统辨识理论和广义预测控制算法控制风电机组参与电力系统二次调频的控制策略。首先,建立考虑通信延迟的单区域互联电力系统二次调频模型。其次,通过利用变遗忘因子递推最小二乘算法（FFRLS）进行在线辨识,建立单输入单输出被控系统的差分方程的受控自回归滑动平均模型（CARMA）,将系统频率偏差和风电场功率指令作为输出变量和控制变量设计广义预测控制器。最后,在不同延时参数以及参数摄动情况下对所提控制策略进行仿真验证。结果表明：所提控制策略在满足系统频率稳定性的同时,使得系统上升时间缩短,超调量大幅减小。

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苏北区域台风外围风特性研究及对风电机组选型的影响

陈佳俊, 张明, 高梓淇, 许波峰, 胡高硕, 马天伟

2022, 43(3): 411-418. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0552

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利用台风“温比亚”影响期间苏北区域4座测风塔的实测风数据,对苏北沿海平原地区台风外围影响下的风切变、湍流强度和阵风系数进行对比分析,同时探讨台风外围风特性对风电机组选型的影响。结果表明：台风外围各扇区风速在由海岸到内陆约50 km内衰减最为明显,随后风速衰减逐渐放缓;台风外围各扇区风切变、湍流强度和阵风系数均在由海岸到内陆约50 km内增大最为明显,随后有逐渐稳定的趋势;台风期间的风切变相较同风向上完整年的大风风切变低8%~13%,有利于主轴承和变桨轴承的降载;湍流强度和阵风系数之间表现为正相关关系;台风外围大风速段的代表湍流强度相对完整年的偏大,超出机组的设计水平,可通过单独在台风期间实施桨角控制策略进行降载。

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垂直对称四叶片风力机气动特性仿真研究

李亚鹏, 黄操军, 刘凯旋, 马超

2022, 43(3): 419-425. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0538

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采用CFD计算软件对垂直轴风力机气动性能进行计算。首先,使用ICEM软件对模型进行前处理,通过Fluent软件进行数值模拟,分析不同计算时间步长和湍流模型对风力机气动特性仿真结果的影响,确定符合该研究模型的计算方法。随后,对顺流垂旋型垂直轴风力机在不同叶尖速比下进行计算,发现该风力机在叶尖速比为0.42时获得最大功率系数。然后,计算分析不同来流风速对该风力机性能的影响,结果表明,顺流垂旋型垂直轴风力机的平均转矩随来流风速的增大而增大,平均转矩系数和功率系数与来流风速无关。最后,针对转子在不同公转角下开展研究,并将其性能与增强型垂直轴风力机进行对比,得出,当近公转角为40°、远公转角为50°时,风力机的平均转矩系数大,由此推导出该风力机叶片的变桨规律,并分析在此变桨规律下风力机的自启动性能。

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基于灰色关联分析的BSO-ELM-AdaBoost 风电功率短期预测

叶家豪, 魏霞, 黄德启, 谢丽蓉, 黄晨晨, 赵世成

2022, 43(3): 426-432. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0524

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提出基于灰色关联分析与自适应提升的天牛群优化极限学习机风电功率短期预测方法。首先,利用灰色关联分析构建训练样本集,提高历史数据与预测日时间尺度上的信息关联度。在此基础上,利用天牛群算法优化极限学习机,为极限学习机寻找最优权阈值,提高其泛化能力。最后,引入集成学习理念,通过自适应提升算法学习组合多个极限学习机弱预测器,对预测误差进行修正,实现误差权重的自分配与重组。以此构成的极限学习机强预测器可进一步提高模型的预测精度,结合西北某风电场实际数据验证该方法的有效性。

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考虑风电机组位置差异的双馈风电场SSO特性及规律研究

刘其辉, 洪晨威

2022, 43(3): 433-441. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0511

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首先建立基于多机等值的双馈风电场经串补并网系统的阻抗模型,并基于RLC阻抗稳定判据,分析不同位置机组控制参数和风速变化时对整个并网系统次同步振荡特性的影响,并通过仿真进行验证。结果表明,不同位置机组的控制参数及风速对整个系统次同步振荡特性的影响存在差异,且控制参数的差异会随风速的变化而变化。

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预弯外形对风力机叶片气弹稳定性的影响

郭小锋, 黄鑫祥, 汪泉, 张忍

2022, 43(3): 442-448. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0509

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为了研究预弯外形对风力机气弹稳定性的影响,以某2 MW低风速风电叶片为研究对象,采用外形参数化表达方法构造叶尖预弯量分别为3、4和5 m的叶片。基于SIMPACK软件建立并验证气-弹-控耦合的风力机整机模型,对配装不同预弯叶片的风力机进行仿真分析。结果显示,在湍流风况下,随着叶尖预弯量的增大,叶根载荷、叶尖附近截面的气弹变形量和动态失速程度都有明显增加;对预弯5 m叶片的动态气弹变形进行频域分析,发现在一阶摆振和扭转方向发生共振现象,表明过大的叶尖预弯设计量会使叶片产生气弹失稳问题。

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基于核心理论的风火-EV两阶段调度中的利润分配研究

孙波, 王璠, 王璐, 李思敏

2022, 43(3): 449-454. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0508

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研究风电、火电、电动汽车（EV）三方日前-日内两阶段协同调度及三方合作的利润分配问题。首先建立以最大化利润为目标的日前计划与日内调整两阶段优化调度模型,然后以日内各优化调度的利润结果作为分配依据,采取Shapley值、Banzhaf值、Solidarity值分配策略进行三方联盟利润分配,并设置核心理论指标判别各分配策略下三方合作可能性。仿真结果表明,三方联合模式能促进风电的消纳与发展,且Shapley值分配策略下合作可成立。

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基于模型预测控制的机侧变流器功率模块结温波动抑制策略

李辉, 杨甜, 胡玉, 谭宏涛, 周芷汀, 郑杰

2022, 43(3): 455-461. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0498

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针对双馈风电机组运行在同步转速点附近时,低输出频率使机侧变流器功率模块承受较大结温波动,致使变流器可靠性降低的问题,提出一种结温波动抑制的模型预测控制（MPC）策略。首先,基于双馈感应电机电压和磁链方程,推导功率预测控制模型;其次,构建基于机组最大功率跟踪（MPPT）的目标函数;然后,搭建基于MPC的双馈风电机组电热仿真模型,时域分析机组在亚/超同步工况下往复运行时机侧变流器功率模块的动态/稳态结温波动;最后,对比现有结温波动抑制策略,验证所提控制策略的有效性。

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基于注意力模块及1D-CNN的滚动轴承故障诊断

刘洋, 程强, 史曜炜, 王煜伟, 王姗, 邓艾东

2022, 43(3): 462-468. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0495

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针对传统的卷积神经网络对特征的辨识性差的问题,提出一种将注意力模块与一维卷积神经网络相结合的滚动轴承故障诊断模型。首先以加入噪声的振动信号作为输入,利用“卷积+池化”单元提取信号的多维特征,然后通过注意力模块对特征赋予不同的权重,利用双池化层取代传统卷积神经网络中的全连接层进行特征的再次提取及特征信息整合,最后通过Softmax层完成轴承状态分类。实验表明,该模型诊断准确率可达99%,与传统模型相比,其准确率更高、收敛速度更快、训练过程更稳定、变负载情况下泛化性能更好。

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酸性溴化锂熔盐水合物溶解木质素的实验研究

宋晓敏, 徐文彪, 李亚茹, 段喜鑫, 时君友, 李翔宇

2022, 43(3): 469-473. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1298

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以溴化锂对木质素的溶解为研究基础,研究溴化锂浓度及反应温度对纯化后酸性玉米芯木质素溶解性能的影响,使用傅里叶红外光谱仪（FTIR）表征溶解前后木质素的官能团,得出最适合溶解木质素的条件：溴化锂浓度为60%,反应温度为120 ℃最适合木质素溶解;酸性溴化锂熔盐水合物能选择性裂解木质素β—O—4芳基醚键,木质素的α—OH在溴化锂作用下发生溴化,从而在温和条件下导致部分木质素发生溶解,并且LiBr和HCl在催化醚键中起到重要作用。

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中国西南石漠化地区秸秆资源分布及全量化利用潜力分析——以贵州省为例

郭应军, 熊康宁, 颜佳旺, 孙若晨

2022, 43(3): 474-482. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1233

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以石漠化问题严重的贵州省为研究对象,从秸秆资源全量化利用的视角,对该省主要农作物秸秆资源量、人均秸秆占有量等进行潜力估算,明确贵州省秸秆资源地域性特征;结合贵州省秸秆利用竞争性需求量计算分析全省及9个市/州秸秆全量化利用潜势,揭示贵州省秸秆资源量在喀斯特县和非喀斯特县的差异性以及与石漠化等级之间的关联性。结果表明：2017年贵州省秸秆资源丰富,可收集秸秆资源量喀斯特县高于非喀斯特县;石漠化等级与人均可收集资源量呈明显正相关性。

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K₂CO₃浓度和保温时间对秸秆水热产物特性的影响

苏静, 牛文娟, 钟菲, 赵艺, 冯雨欣, 刘念

2022, 43(3): 483-491. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0570

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以水稻秆和玉米秆为原料,开展不同K₂CO₃浓度和保温时间下的水热炭化试验,研究秸秆水热炭和液体产物的理化特性。结果表明,随着K₂CO₃浓度的增大和保温时间的增加,水热炭产率从35.65%降至22.86%,气体产率从4.68%增至13.03%;液体产物的产率、pH值、电导率、NH₄⁺-N浓度增大,PO₄^3--P浓度减小;水热炭的灰分、固定碳、C、N和高位热值增大,挥发分、H、O和能量转化率减小。K₂CO₃浓度为10%、保温时间为120 min时,水热炭的含氧官能团和孔隙结构最丰富,最大比表面积和总孔体积分别为9.5321 m²/g和0.0724 cm³/g。

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酸、碱、氧化试剂与低温冻融联合预处理对高粱秸秆厌氧发酵产甲烷的影响

李天沛, 丁为民, 柴喜存, 郭彬彬, 孙杰

2022, 43(3): 492-500. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0550

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以高粱秸秆为原料,分别研究酸、碱、氧化试剂与低温冻融联合预处理对高粱秸秆与沼泥混合厌氧发酵产甲烷的影响。试验结果表明：经过预处理后各试验组高粱秸秆组分含量比CK对照组均有显著变化(p＜0.05),木质素去除率在29.85%~41.71%之间,纤维素相对含量提高率在10.08%~17.27%之间,半纤维素去除率在1.30%~9.62%之间。预处理可有效改变高粱秸秆宏观和微观结构,改变高粱秸秆的组织结构特性,纤维素、半纤维素与木质素的连接被打断,木质素被脱除。各试验组累积甲烷产量比CK对照组显著提高30.69%~90.28%,经5%冰乙酸和低温冻融联合预处理后的试验组在试验周期内有最大累积甲烷产量351.85 mL/（g·VS）。Logistic增长曲线方程对于高粱秸秆与沼泥混合厌氧发酵产甲烷规律具有较好的拟合效果,可对累积甲烷产量做出合理解释和准确预测,经济性和能量分析可为规模化生产提供参考。

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Brønsted酸性离子液体合成及催化制备生物柴油

苗长林, 吕鹏梅, 李志兵, 庄新姝, 李惠文

2022, 43(3): 501-506. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0352

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合成4种成功能化酸性离子液体,采用红外光谱、热重分析等分析法进行表征验证,并用其催化菜籽油酯交换制备生物柴油,考察醇/油物质的量之比、反应温度、反应时间、离子液体用量和水含量对转化率的影响。结果表明,4种离子液体都有较强酸性,与浓硫酸酸性相当;带—SO₃H基团的离子液体表现出更好的催化活性,且随着烷基链的增加,催化活性提高;在（n甲醇）∶n（菜籽油）=12∶1,反应温度130 ℃,反应时间3 h,离子液体（[BSO₃HMIM][HSO₄]）用量为菜籽油质量2%（质量分数）条件下,生物柴油转化率可达99%以上。在反应体系中,水会破坏离子液体的结构并导致其失活,而升高反应温度,可缓解水对离子液体的结构破坏,在130 ℃条件下,即使水分含量为5%时,生物柴油转化率仍可保持在约85%。

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