太阳能学报

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陈明彪, 宋文吉, 王瑛滢, 傅德坤, 冯自平

2022, 43(6): 1-7. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1043

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考虑现有采暖供冷技术能耗高或适用性低等特点,提出以冰源热泵为核心的跨季节蓄冷技术。以5种系统方案为研究对象,建立系统模型定量评价分析不同方案在不同区域的能耗特性以及经济效益。结果表明：1）方案3（跨季节蓄冷）、方案4（跨季节蓄冷与夜间蓄冷）、方案5（土壤源热泵）的一次能源消耗量和污染物排放量比方案1（空气源热泵）和方案2（集中供热与冷水机组）少50%以上;2）跨季节蓄能技术可有效提高系统的全年COP值,其存储效率和循环次数可达到96%和2.1次;3）上海适用空气源热泵方案,北京适用跨季节蓄冷方案,沈阳适用集中供暖方案;4）在北京,对于3万m²以上供暖供冷面积的大型建筑,采用方案4的增量投资回收期只有约3 a。

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考虑负荷动态特性的多阶段光储协调规划研究

陈长青, 李欣然, 张冰玉, 王逸超

2022, 43(6): 8-16. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1038

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高渗透分布式光伏（DPV）配电网中,对电池储能系统（BESS）规划研究主要基于给定的负荷和DPV,以BESS降低DPV波动对电网造成的负面影响,较少考虑负荷增长和分布（LID）。针对该问题,提出以短期规划经济目标为基础,结合负荷动态增长和随机分布特性,储能和光伏的时序互补性,构建多阶段规划指标体系,并提出不同阶段的规划策略,从而实现BESS和DPV的多阶段协调规划。最后对10 kV 36节点配电网进行仿真,其结果表明,DPV和BESS协调规划能有效降低两者配置容量;且LID在DPV和BESS协调规划中起关键作用。

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考虑需求侧无功不确定性的负荷聚合商运营优化模型

贾海清, 林延平, 刘茹, 李大鹏, 顾大可

2022, 43(6): 17-23. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1351

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针对需求侧多种类负荷不确定性给负荷聚合商在运营过程所带来的挑战,建立考虑需求侧不确定性的负荷聚合商运营优化模型。首先,考虑需求侧用电特征,建立具有不确定性的负荷聚合模型;进而,考虑需求侧无功不确定性,以负荷聚合商收益最大化为目标,建立基于条件风险价值的负荷聚合商运营优化模型;最后;选取蒙东某配网地区的风光、负荷及实时电价数据,通过仿真对比验证所提出的运营优化模型可有充分利用需求侧响应为电网带来的调节能力,有效提高负荷聚合商的运营收益。

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基于柔性负荷的孤立多能互补建筑能源系统优化设计

刘艳峰, 刘正学, 罗西, 胡亮, 王亚星

2022, 43(6): 24-32. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0926

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构建基于柔性负荷的多能互补建筑能源系统是解决孤立乡村能源供给问题的有效手段。采用Matlab/Simulink建立孤立多能互补建筑能源系统优化模型,并以系统的费用年值最低为优化目标,基于遗传算法求解计算。研究结果表明,与不考虑柔性负荷相比,柔性电负荷、柔性热负荷、柔性电/热负荷参与调节时,系统的费用年值分别降低了5.24%、33.11%与35.50%。柔性电负荷参与调节后,负荷向光伏出力时段平移,储能电池和柴油发电机的容量得以降低。与仅有柔性热负荷参与调节相比,柔性电、热负荷同时参与调节时,室内温度波动平缓,波动振幅小。

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一种可提高单相光伏并网逆变器功率密度的新型功率解耦拓扑

茆美琴, 宋振宇, 张榴晨

2022, 43(6): 33-41. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1153

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滤波电感、电解电容和散热器是逆变器中体积占比最大的元件,为了提高具备功率解耦功能的单相光伏并网逆变器的功率密度,该文从滤波电感的功率处理的数学函数出发,推导可以减小电感体积、解耦电容体积、减小开关器件损耗的控制原理,演绎出一种提高了单相光伏逆变器功率密度的Boost型功率解耦单相逆变器拓扑。搭建额定功率为750 W的Matlab仿真模型和RT-LAB硬件在环仿真实验模型进行验证,与传统逆变器拓扑相比,该拓扑在实现功率解耦功能的基础上,减小了滤波电感的电感量和开关器件的开关损耗,提高了逆变器的功率密度和运行效率。

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一种用于光储系统的部分功率三端口直流变换器

高明, 余伟臣, 石健将

2022, 43(6): 42-48. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1142

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针对光储系统提出一种三端口拓扑结构,该拓扑通过在基于移相全桥的部分功率变换器上扩展出蓄电池端口,来克服部分功率变换器抗输入扰动能力差的缺点,且蓄电池端口具备功率控制功能,有利于提高光储系统功率密度。首先给出电路建立过程,并给出功率传输的数学描述和小信号模型,给出变换器控制策略。仿真与实验结果表明,变换器的电压稳定性得到提升并实现最大功率点跟踪、充放电控制和负载电压稳定的功能,且在切载时具有良好的动态性能。

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内蒙古中部草原区光伏电站对土壤水分及其脉冲响应的作用机制

翟波, 高永, 党晓宏, 蒙仲举, 徐立杰, 刘子剑

2022, 43(6): 49-56. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1138

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针对内蒙古草原地区光伏电站对降雨的再分配作用下土壤水分空间变异规律及其对降水事件的脉冲响应特征,对草原地区光伏组件下的土壤水分时空特征进行持续观测,并确定光伏组件干扰下的气象因子与土壤水分的关系,最终通过参数估计厘清光伏组件对土壤水分脉冲响应的作用机制。结果表明：光伏组件前檐下方的土壤总储水量整体高于组件下方和未架设组件区域的土壤储水量;光伏组件前檐的各土层储水量对降水的响应均较强,光伏组件下各层土壤储水量对降水无明显响应过程;光伏组件下大气湿度与0~10、10~20和20~30 cm土层储水量的相关系数分别为0.889、0.579和0.414;光伏组件前檐10、20和30 cm土层的含水量对降水量的脉冲响应方程R²分别为0.875、0.938和0.957,降水量的补给对0~30 cm土层的脉冲事件均产生促进作用。未架设组件区域的20 cm土层含水量对自然降水有较好的响应过程。

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光伏系统采集数据在线清洗与修复方法研究

汪海宁, 陈昱明, 樊涛, 谢祥颖, 马大燕

2022, 43(6): 57-65. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1054

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以湖北巴东光伏电站实采数据为基础,分析了温度、辐照度、系统出力3类原始数据特征及变化特点,以融合准确率和召回率的综合指标为评价依据,提出采集数据的在线清洗与修复方法,最后以电站实采数据为例,进行数据清洗与修复的可行性验证。结果表明：根据趋势距离对变化趋势统一的温度数据进行清洗、通过设置动态阈值区间对辐照数据进行分时刻清洗,以及对独立分析困难但适宜联合分析的出力-辐照数据进行匹配度核算和清洗,均可较好地实现离群数据的筛选识别;此外,对残缺数据,根据相应清洗指标最小化原则,进行数据修复,可较好地再现缺失点的数据原貌。

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无盖板型水冷式PV/T模块光电/光热综合性能实验研究

马进伟, 方浩, 陈茜茜, 童维维, 何伟, 高峰

2022, 43(6): 66-71. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1048

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无盖板PV/T组件相比于盖板式PV/T组件有更高的光电转换效率,在电能输出方面的优势明显。基于此,提出一种无盖板型水冷式PV/T模块,并搭建由光伏对比模块、水冷式PV/T模块以及无冷却水循环的PV/T对比模块构成的实验平台开展对比实验,研究温度、流量对无盖板PV/T模块电、热转换效率的影响。结果表明,在水冷作用下,PV/T模块的光伏组件温度显著降低,与PV/T对比模块相比发电效率提升11.54%;环境平均温度为21.7 ℃、平均辐照度650 W/m²的测试条件下,流量0.12 m³/h时模块的电效率为17.44%,热效率为19.80%,综合效率达到65.69%,考虑到循环泵消耗的电能,表面积1.93 m²的水冷式PV/T模块全天可存储有效能3.72 MJ。

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太阳能光伏光热建筑一体化（BIPV/T）研究新进展

王君, 余本东, 王矗垚, 季杰

2022, 43(6): 72-78. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1029

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针对当前太阳能建筑一体化应用中存在的问题,提出太阳能光伏光热建筑一体化（BIPV/T）综合利用研究的新概念、新方法和新功能,不仅能提高太阳能建筑一体化的综合利用效率、降低应用成本,且使得太阳能功能更多、全年利用率更高。该文介绍了中国科学技术大学近年来的相关研究,包括与建筑相结合的光伏/热水系统、碲化镉光伏通风窗系统、光伏/空气/热水复合被动墙体系统、光伏光热-热催化/洁净多功能复合墙体系统的原理、功能及效率,拓展了太阳能建筑一体化研究和应用的新途径,为实现太阳能建筑大规模应用以及创造健康舒适的室内环境提供新的方法。

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考虑气象变化的光伏发电模型评估及研究

李烁, 陈新度, 尹玲, 张斐, 吴鹏, 赵松涛

2022, 43(6): 79-84. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1019

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该文提出一种基于数据分析的发电模型评估方法,用于研究光伏发电模型输入,该方法主要由3 个步骤组成。首先,将基于信号分析的特征提取技术和基于专家知识的特征工程技术相结合扩展数据集,并进行异常值检测清除离群样本。其次对数据集进行相关性分析讨论输入数据的合理性。最后通过人工神经网络对该数据集进行建模,并把主成分分析引入模型训练中,分析模型在晴天、雨天、多云3 种不同气象条件下的表现。采用该方法对小型实验平台获取的气象数据与设备运行数据进行分析。实验表明,构造数据集比原始数据集训练的模型计算结果更精确,而引入主成分分析的模型计算效率更高。

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高层住宅阳台太阳集热器系统的极值风效应

毛丹, 李寿科, 肖飞鹏, 陈宁, 孙洪鑫, 温青

2022, 43(6): 85-93. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1018

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在大气边界层风洞中模拟C类地貌,对缩尺比为1∶80的高层住宅阳台太阳集热器模型进行刚性模型测压试验。首先,对集热器极值风压系数进行概率分析,结果表明太阳集热器极值风压系数的概率模型归属受面板位置、来流风向的影响较小,广义极值分布可较好地描述集热器极值风压系数的概率分布;其次,研究集热器安装倾角、楼层高度、在阳台上的相对位置等参数对集热器极值风荷载的影响规律,结果表明顶部楼层的阳台集热器表现出与中间楼层集热器不同的风荷载特性,各楼层阳台集热器的风荷载作用效应机理与阳台立面明显不同;倾斜安装于阳台立面的集热器最不利极值风压系数与安装倾角变化并不表现为单调关系;最后,基于包络法给出阳台太阳集热器的极值风压系数设计建议取值。

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基于MIV-PSO-BPNN的光伏出力短期预测

刘丹, 刘方, 许彦平

2022, 43(6): 94-98. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1007

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针对高比例光伏接入电网时,光伏出力的波动性会严重影响电力系统稳定运行的问题提出一种基于平均影响值与改进粒子群优化神经网络的组合式光伏出力短期预测模型。首先,采用直接预测法,选取总辐射量、直接辐射量、散射量、相对湿度、气温、风速和降雨量7个影响光伏出力的因素,构建MIV-PSO-BPNN模型,基于Rapid Miner数据挖掘得出降雨量对光伏出力平均影响值为0.0099,影响较小,不作为模型输入变量。然后,用改进PSO优化算法对BPNN的权值与阈值进行优化。最后,利用上海浦东国际机场T2-2光伏电站数据进行验证,结果表明MIV-PSO-BPNN模型对光伏出力预测有效,在实际中有一定应用价值。

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遮阴条件下光伏MPPT自适应粒子群算法优化

韩思鹏, 蒋晓艳, 罗意, 焦乾致, 谭景洋, 荀悦

2022, 43(6): 99-105. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1001

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针对在局部阴影情况下光伏阵列的功率-电压（P-U）特性曲线呈多峰特性,粒子群算法应用于局部阴影下的最大功率点跟踪（MPPT）跟踪,存在搜索速度慢、精度低的缺点。提出自适应惯性权重粒子群优化（PSO）算法的最大功率点跟踪算法,自动更新惯性权重w和学习因子C₁、C₂,通过仿真实验,优化前的全局最大功率点（GMPP）跟踪时间是0.045 s,输出功率为468 W。优化后的自适应粒子群算法GMPP跟踪时间为0.020 s,输出功率稳定在为480 W,光伏阵列的输出功率跟踪误差小于30%。在所搭建辐照度突变模型仿真中,在4.022 s突变到300 W/m²时经过0.05 s又重新跟踪到了新的最大功率点稳定在0.075 MW。最后通过实验平台验证,优化后的自适应粒子群优化算法与传统的粒子群优化算法相比,追踪时间减少了55.5%,误差小于5%,验证了该算法可行性和实用性。

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一种基于邻域保持的数值天气预报数据降维可信度评估准则

郝颖, 车建峰, 冬雷, 王丽婕, 战文华, 郭洪武

2022, 43(6): 106-114. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0951

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针对以风电、光伏发电为代表的新能源发电功率预测中数值天气预报（NWP）数据降维问题,应用不同特征选择和特征转换算法进行降维后,提出一种基于邻域保持的NWP降维可信度评估准则。该评估准则基于数据降维投影过程中样本点邻域变化,不考虑降维算法本身的降维原理及目标函数,可对不同降维算法在NWP数据降维中的可信度进行有效评估。研究结果可为其他研究提供选取NWP降维算法提供参考。

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小型太阳能采暖建筑节能性能指标简化计算

孟祥鑫, 刘衍, 王赏玉, 曹其梦, 鲁俊忱, 杨柳

2022, 43(6): 115-123. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0785

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以小型太阳能采暖建筑本体太阳能利用性能指标为研究对象。基于中国1042个城镇1988—2017年间太阳辐射照度及室外空气温度逐时数据,构建符合居住建筑节能设计标准的小型太阳能采暖建筑的太阳能采暖率（SHF）与太阳能得热负荷比（SLR）关系式。同时,获得全国典型城市计算月透过玻璃的总得热量,为太阳能得热负荷比（SLR）的简化计算提供条件。该研究简化了设计方案初期判断建筑可利用太阳能采暖水平的方法,为建筑一体化设计和助力碳中和战略目标的顺利实施提供了基础支撑。

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城市大气污染对到达地表的太阳辐射的影响研究

杨丽薇, 高晓清, 李振朝

2022, 43(6): 124-131. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0508

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在晴空（无云）的条件下,大气污染是影响到达地球表面太阳辐射的重要因素之一。选择中国6个典型城市（北京、沈阳、上海、武汉、广州和成都）,利用2014年1月—2020年12月的空气质量日监测数据以及地面太阳辐射、日照时数等逐日观测数据,定量分析晴空条件下大气污染指数（AQI）与地表太阳总辐射、散射辐射的关系。结果表明：1）大气污染会降低清晰度指数,增加散射系数,对于地表太阳总辐射有衰减作用,对于散射辐射有增强作用。2）2014—2020年,大气污染（AQI>100）使得晴天地表太阳总辐射的年衰减总量和相对衰减量（共7 a）较大的是北京（212.40 MJ/m²,4.01%）、沈阳（184.16 MJ/m²,3.00%）、上海（123.80 MJ/m²,4.37%）和武汉（106.36 MJ/m²,3.04%）,而成都（58.03 MJ/m²,3.82%）和广州（18.76MJ/m²,0.96%）的衰减总量较小。3）大气污染（AQI>100）使得晴天散射辐射的年增加总量和相对衰减量分别是北京256.64 MJ/m²（12.96%）、沈阳134.45 MJ/m²（7.10%）、武汉22.62 MJ/m²（1.36%）、成都43.40 MJ/m²（9.71%）、上海94.74 MJ/m²（8.25%）和广州37.79 MJ/m²（5.90%）。

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基于能量流的塔式太阳能热发电吸热器动态建模

吕子奎, 房方

2022, 43(6): 132-137. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1031

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塔式太阳能热发电空气吸热器的最大热应力与其温度变化率成正比,吸热器出口空气温度的动态特性影响塔式光热系统的功率特性。结合热电比拟理论,采用对流换热系数和Rosseland辐射传递方程描述传热过程,建立塔式太阳能热发电系统中碳化硅泡沫陶瓷吸热体的能量流模型。通过剖析空气吸热器工作过程的传热特性,得出平均能流密度、吸热体厚度、平均孔径对出口空气温度、吸热体温度的影响,为该类空气吸热器的设计提供了理论依据。

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基于PVT集热/蒸发器的补气增焓热泵性能分析

寿春晖, 姚剑, 郑思航, 彭浩, 赵耀, 代彦军

2022, 43(6): 138-144. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1010

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传统直膨式太阳能辅助热泵系统在低温环境适应性欠佳,影响其在寒冷地区使用,通过采用补气增焓技术可以有效提高其低温条件下的供热能力。以所提出的采用PVT集热/蒸发器的补气增焓热泵系统为研究对象,计算分析环境条件、太阳辐射强度、注入蒸汽质量流量对该热泵系统性能的影响。研究结果表明：当环境温度为-10℃,太阳照强度为500 W/m²时,性能系数（COP）可达4.3,比使用补气增焓（VI）循环的空气源热泵（ASHP）系统高63.6%。以当量热价（LCOH）作为指标与其他3种供热系统进行比较,所提出的系统经济性也具有一定的优势,可为补气增焓热泵系统在寒冷气候地区的应用提供新思路。

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基于最优多尺度集的形态学红外图像缺陷检测研究

康爽, 陈长征, 刘石, 周勃, 唐琬茹

2022, 43(6): 145-152. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0051

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图像增强在风力机叶片红外缺陷检测中具有重要应用,该文针对红外检测中图像清晰度低的问题,提出一种自适应迭代阈值加权的差分顶帽变换红外图像增强方法（AITWD top-hat）。首先,通过多尺度白顶帽与黑顶帽变换获得多组顶帽信息。其次,为获得更多的图像细节特征,采用对比度改善系数（contrast improvement ratio, CIR）作为阈值数,提出一种迭代阈值的图像加权方法,并对获得的最优尺度集图像进行融合,得到增强图像。最后,将该文所提方法与现有方法从定性和定量2个方面进行对比和验证。实验结果表明,该文方法不仅具有较好的图像细节增强效果,而且有效克服了传统形态学图像增强时稳定性差的问题,PSNR值和SSIM值分别提高了9.01%和9.07%。

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基于正交设计的大型海上风电齿轮箱多级螺旋角优选研究

田德, 陶立壮, 吴晓璇, 李贝

2022, 43(6): 153-159. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1527

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以某5 MW海上风电机组两级行星一级平行齿轮箱为研究对象,建立以其第一、二、三级齿轮螺旋角（A、B、C）为三自变量因素,以5°、8°、11°、15°为四离散水平的16组正交试验方案,基于Simpack软件完成对应方案的虚拟样机建模及动力学仿真,对各因素各水平下的均载特性、振动特性进行评估,对正交试验结果的有效性进行验证。研究结果表明：行星级的均载特性主要与该级螺旋角有关,同时受螺旋角影响,一般情况下,螺旋角越大,均载特性越好;影响高速输出轴后轴承位置振动的主要因素为第三级齿轮螺旋角,且当C在8°附近时,振动信号较小。研究结果可为大型海上风电机组齿轮螺旋角精细化设计提供理论支撑。

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考虑历史相似性加权的超短期风电功率组合预测

仲悟之, 李崇钢, 崔杨, 李芳, 王丹丹

2022, 43(6): 160-168. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0308

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提出一种基于历史相似性加权的超短期风电功率组合预测方法。首先,采用数值天气预报数据、风电历史数据分别作为极限学习机、长短期记忆网络的输入特征并产生预测数据;然后,通过加权灰色关联算法提取与待预测点特征近似的历史数据,评估并校正两类预测模型的预测结果。采用美国科罗拉多州某风电场实际运行数据进行训练与验证,并使用不同加权方法进行对比。结果表明,基于历史相似性优化方法可改善预测效果,缩小预测误差分布范围,验证了该文方法的有效性。

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考虑动态失速与风轮支架损失的H型垂直轴风力机自由尾迹模型构建

冯国英, 张守斌

2022, 43(6): 169-175. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1259

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采用基于升力线理论的自由尾迹模拟模型,耦合了Leishman-Beddoes（LB）动态失速模型和模拟支架损失的半经验公式,编制H型垂直轴风轮计算程序,对不同直径、不同实度的风轮进行气动性能模拟。为了检测模型对H型风轮输出计算的准确性,选取2种不同实度（分别为0.13和0.48）的H型风力机进行了对比分析。结果表明,当尖速比小于4时,动态失速影响较为明显。考虑支架损失的计算结果明显优于未考虑支架损失的计算结果,支架损失总体上随尖速比的增大而增大,2台风力机对应的最大支架损失分别高达60%和35.5%。考虑动态失速效应和支架损失的计算模型能较为准确地估算风轮实度较小的H型风轮的输出,但对于实度较大的H型风轮,其计算准确度有待进一步提高。

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表面硬化滚道风电主轴轴承的疲劳寿命分析

李云峰, 高元安, 贾磊

2022, 43(6): 176-182. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1075

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建立一种针对表面硬化滚道三排圆柱滚子风电主轴轴承的疲劳寿命分析方法。首先,在卡迪尔坐标系中建立三排圆柱滚子风电主轴轴承的5自由度力学模型,分析计算在外部5个方向载荷联合作用下轴承的内部滚子载荷分布;然后,建立圆柱滚子与表面硬化滚道之间的弹塑性接触有限元模型,计算得到滚子接触载荷作用下滚道次表面的脉动应力分布;最后,根据Goodman方程将滚道脉动应力幅值转化为交变应力幅值,运用Basquin应力-寿命理论计算得到风电主轴轴承的疲劳寿命。结果表明,轴承的下风向外圈滚道承受来自风轮的推力载荷,其疲劳寿命最短;径向外圈滚道承受风轮的重力载荷,其疲劳寿命最长。轴承的疲劳寿命取决于下风向滚道。

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风力机叶片制造误差对功率和推力影响的量化研究

唐新姿, 王效禹, 袁可人, 彭锐涛

2022, 43(6): 183-189. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1074

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为量化叶片制造误差对风力机功率和推力的影响,以NREL Phase VI S809风力机叶轮为研究对象,基于区间分析法和修正叶素动量理论,建立风力机不确定气动响应模型,量化弦长扭角制造误差对功率和推力影响的相对波动幅度,采用极差分析法进行敏感性分析,获得不确定影响敏感位置。结果表明,叶片扭角误差对性能影响更为显著;当弦长误差和扭角误差为±0.02c和±0.6°时,功率和推力最大相对波动达到3.26%和8.09%;弦长误差影响敏感位置为叶根,而扭角误差敏感位置为叶尖,可在此部位施加质量参数要求以控制性能偏差。

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计及绿色电力证书与碳交易制度的“源-荷”协调优化调度

袁桂丽, 刘培德, 唐福斌, 田文利

2022, 43(6): 190-195. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1044

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基于低碳电力和智能电网的背景,考虑现有的风电消纳困境,该文以绿色电力证书为基础,结合碳排放权的交易制度,同时引入需求侧高载能企业负荷的响应模型,并将虚拟电厂经济效益作为优化目标函数,建立以绿证交易为基础,结合碳交易制度和高载能需求侧响应的“源-荷”双侧互补协调优化调度模型。最后将某省份区域电网代入到该文所构建模型之中进行仿真,并采用自适应免疫疫苗算法对模型进行求解,结果表明所建立的计及绿证交易与碳交易的模型有利于促进风电消耗,降低单位发电量的碳排放。

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风力机叶片涂层风沙冲蚀磨损特性的风洞试验研究

李德顺, 梁恩培, 李银然, 赵煜, 徐梦飞, 余牧遥

2022, 43(6): 196-203. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1032

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传统的挟沙冲蚀试验台与风沙风洞难以构建均匀风沙流场,难以准确反映风力机叶片的风沙磨损特性。因此,在改造的风沙风洞中,通过对风力机叶片平板试样开展涂层冲蚀磨损试验,探究不同冲击速度、冲击角度及有效截面质量流率对风力机叶片涂层材料冲蚀特性的影响规律。试验结果表明：有效颗粒质量流率一定时,在相同冲击速度与冲击时间内,磨损量在冲击角度约为30°时达到最大。小于30°时,磨损量随冲击角度的增大而快速增加,大于30°时磨损量随冲击角度的增大而逐渐降低;磨损量随冲击速度的增大而增大;磨损量随有效颗粒质量流率的增大而呈线性增大趋势;切削磨损量与总磨损量有相同趋势,冲击磨损量随着冲击角度的增大而逐渐增大。

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基于EN-SKPCA降维和FPA优化LSTMNN期风电功率预测

张淑清, 杨振宁, 姜安琦, 李君, 刘海涛, 穆勇

2022, 43(6): 204-211. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1025

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综合考虑风电功率序列及气象数据的多维特征,提出一种弹性网稀疏核主成分分析（EN-SKPCA）降维方法,对气象因素降维并表述为回归优化型问题,添加的弹性网惩罚解决了KPCA重构主成分难以解释构成的问题;提出花授粉算法（FPA）优化长短时记忆神经网络（LSTMNN）预测模型,可自动筛选出最佳超参数,降低了参数经验设置所带来的随机性。该方法解决了突变天气的影响,提高了预测精度。对2017年宁夏麻黄山第一风电场实测数据实验,证明了该方法的优越性。

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涡流发生器设计参数对某40%厚度翼型性能影响的实验研究

周晓亮, 翁海平, 龚玉祥, 孔魁, 程明哲

2022, 43(6): 212-218. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1011

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涡流发生器（VG或VGs）经常作为被动式的流动控制措施用于风力机叶片内侧,以减轻流动分离对气动性能的影响。然而,对内侧大厚度和极大厚度翼型,VG流动的复杂性和强烈的非定常性给基于数值模拟的VG设计和性能评估带来很大的不确定性。本文基于某相对厚度40%的大厚度钝后缘风力机翼型,在西北工业大学NF-3低速翼型风洞开展了涡流发生器设计参数对大厚度翼型表面流动和气动性能影响的试验研究。通过对气动特性、特征参数和压力分布等的分析可看出,VGs有效地改善了目标翼型的流动分离,提高了翼型性能;在设计参数中,弦向安装位置和涡流发生器高度对性能影响最大。

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一种可以描述桩端位移累积的新型Q-z模型

李威, 周文杰

2022, 43(6): 219-225. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0916

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海上风电属变形敏感结构,而导管架基础海上风电结构在服役期内下部桩基础会承受较大竖向循环荷载。在竖向受荷桩基的分析与计算中,采用ABAQUS分析桩端影响区域,依据动三轴实验中砂土的应变累积特性,提出一种新型Q-z模型。与传统Q-z模型比较,该模型能通过不同参数取值,模拟在轴向循环荷载下桩端的位移累积。结合有限元软件COMSOL进行二次开发,模拟单桩轴向循环加载工况,与离心机实验进行对比,验证了该Q-z模型的合理性。在数值计算中分别采用美国石油学会（API）规范系列桩土相互作用模型（p-y）、可考虑桩-土界面强度和刚度循环弱化效应的弹塑性t-z模型,可描述桩端位移累积的新型Q-z模型,分析海上升压站在循环荷载下的响应规律,为海上升压站设计提供相应的建议。

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沼渣热解动力学、热力学分析及热解产物特性研究

李沫杉, 田宜水, 胡二峰, 戴重阳, 李晨浩, 邵思

2022, 43(6): 226-233. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1132

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采用热重分析（TG）分析沼渣的热解特性,研究沼渣的热解动力学并计算指前因子A、焓变ΔH、吉布斯自由能ΔG、熵变ΔS等热力学参数。进一步考察温度对沼渣热解产物分布与性质的影响。其热解过程可分为3个失重阶段,其中第2阶段为主要失重阶段,采用Flynn-Wall-Ozawa（FWO）法、Friedman法和Kissinger-Akahira-Sunose（KAS）法计算的平均活化能分别为410.00、471.32和420.01 kJ/mol,热力学参数计算结果表明沼渣热解过程具有稳定的能量输出。沼渣热解油的产率随温度上升先增加后降低。气体产物的高位热值（HHV）从400 ℃时的6.82 MJ/Nm³增加到700 ℃时的8.54 MJ/Nm³。红外光谱（FTIR）、拉曼（Raman）光谱表明热解温度升高生物炭结构的有序性增加。

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榨糖收贮模式玉米秸秆蒸汽爆破预处理条件优化

王晓龙, 王智, 柯涛, 闫德冉, 赵子高

2022, 43(6): 234-238. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0160

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使用蒸汽爆破法处理榨糖收贮玉米秸秆榨渣,观察不同蒸汽爆破压力和维压时间下纤维素、半纤维素、木质素（三大素）及纤维素酶水解得率的变化。榨渣三大素含量不同程度下降,半纤维素下降最多,其次是木质素,而纤维素下降最少。处理后进行的水解实验显示压力与维压时间的增加会导致纤维素水解酶得率有所提高,但压力增加对纤维素水解酶影响较小,维压时间对纤维素水解酶的影响较为突出。考虑经济成本的前提下选择1.2 MPa,10 min维压时间为最佳条件,其中纤维素含量为34.42%、半纤维素4.01%、木质素17.09%及纤维素酶水解得率为68.3%。

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下吸式固定床的生物质O₂/CO₂分段气化流程模拟

郑志行, 张家元, 李俊宇, 龚卡, 罗晓倩, 李谦

2022, 43(6): 239-245. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1068

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建立干桦木屑在下吸式固定床气化炉中的Aspen Plus气化模型,该模型预测煤气组成和煤气热值,与文献试验结果吻合良好。利用灵敏度分析模块模拟了氧碳比、CO₂/C对气化结果的影响,并提出O₂/CO₂分段气化流程,对比常规的CO₂气化特征,分析了CO₂/C对气化结果的影响。结果表明,纯氧气化时可获得高H₂和CO浓度的气化气,但其净CO₂排放量较高,氧碳比增加使碳转化率逐渐增加、冷煤气效率先增加后降低;CO₂作为气化剂时,随着CO₂/C的增加,净CO₂排放量逐渐减少,但碳转化率及冷煤气效率大幅降低;与常规CO₂气化相比,O₂/CO₂分段气化在保持低CO₂排放量的同时,可有效增加气化过程中的碳转化率及冷煤气效率。

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复合功能嵌合纤维小体空间结构优化及性能研究

杜济良, 祁琪, 刘涵, 王旭昕, 万平, 田沈

2022, 43(6): 246-250. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1060

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该研究成功构建4种杂合纤维小体支架蛋白,并将纤维素酶与其在胞外组装成空间结构不同的嵌合纤维小体,分析了嵌合纤维小体的酶的热稳定性和酶解动力学特征。并基于酿酒酵母EBY100细胞表面展示系统锚定优化前后的支架蛋白以组装嵌合纤维小体进行纤维素同步糖化发酵产乙醇性能分析。结果表明嵌合纤维小体的酶活性在50 ℃下维持相对稳定状态达到120 h。其中ScafI-IV型支架蛋白嵌合纤维小体的V_max=0.147 mg/（mL·min）,K_m=6.085 mg/mL及水解纤维素的还原糖产量均高于其他3种结构嵌合纤维小体。CBP酿酒酵母菌群以磷酸膨胀纤维素为底物进行同步糖化发酵产乙醇,ScafI-IV型结构嵌合纤维小体在96 h时乙醇产量达到1.12 g/L,产量为0.263 g/g,相当于乙醇产率理论值的51.50%。该结果证明通过优化支架蛋白结构可改善嵌合纤维小体的酶解性能,并对于人工设计纤维小体的研究具有一定的理论意义。

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波浪能发电装置现场测试中波浪参数比测分析

夏海南, 王项南, 李强, 贾宁, 常皓, 赵智坤

2022, 43(6): 251-255. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1081

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在波浪能发电装置现场测试工作中,波浪参数的测量是评估波浪能发电装置性能的重要依据之一。在分析和比较波浪骑士与浪龙的波浪测量方式基础上,开展对这2种设备在大万山海域现场的对比测试工作。应用标准差、皮尔逊相关系数等数学方法,对测试数据进行处理与分析,并绘制有效波高玫瑰图,分析这2种设备对波浪参数的测量差异性。结果表明,波浪骑士与浪龙对有效波高和波周期参数的测量差异性较小,对波向的测量差异性较为显著。研究成果为波浪能发电装置现场测试工作中波浪参数的测量提供了参考依据。

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阻塞比对潮流能水轮机尾流特性影响数值模拟研究

李岩伟, 张玉全, 郑源, 张智, 郭绘娟, 战谊

2022, 43(6): 256-263. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1071

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首先通过对比分析数值模拟结果与水槽实验尾流场速度数据,验证数值模拟的准确性。通过在软件STAR-CCM+中改变水槽宽度的模型,使水轮机阻塞比分别在9.8%、14.7%和29.5%的情况下进行模拟计算,分析潮流能水轮机尾流特性的变化。结果显示,阻塞比的变化不仅会改变水轮机扫略区域外流体速度,影响远尾流恢复速度,还会对尾流的旋转和湍动能分布造成影响;但随着槽宽增加阻塞比减小,其对尾流特性影响逐渐减弱。

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基于遗传算法的二自由度波浪能装置阵列优化

马宏达, 邓义斌, 郭强波

2022, 43(6): 264-269. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1067

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针对浮子式波浪能装置阵列发电效率提升问题,采用遗传算法对一种二自由度浮子式波浪能发电装置阵列进行优化排布。首先介绍二自由度波浪能发电装置及其阵列数学模型;然后开展二自由度装置阵列优化模型的构建及其遗传算法求解研究;接着对100 m×100 m海域范围内分别开展2、3、5个装置阵列的排布优化计算,并对2个装置阵列的优化结果进行验证,分析波浪能装置阵列影响因子q增大的机理;计算结果表明遗传算法能有效优化二自由度装置阵列排布,增强阵列中各装置之间的相互作用,提升波浪能装置阵列发电效率。

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青海省共和县地下热水水文地球化学特征研究

柴森, 那金, 岳高凡, 袁益龙

2022, 43(6): 270-276. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1045

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以青海省共和县地下热水为研究对象,对所取得的水样进行水化学以及氢氧同位素测试,并分析测试结果。结果表明：共和地区地下热水水化学类型以Cl-Na型为主;地下热水受到浅表层氧化作用的影响较大,所处环境的封闭性较差,有浅层地下水或地表水的混合;地下热水受大气降雨补给;地下热水热源和水源不是同一来源;地下热水未达到水岩平衡状态,估算出地下热水热储温度在37.59~108.22 ℃之间,循环深度为500~2000 m,属于中低温地热系统。

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氢燃料电池汽车全球技术法规第二阶段火烧试验方法研究

李逸凡, 李奇楠, 杨苗苗, 郑津洋, 花争立

2022, 43(6): 277-285. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0642

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近期,氢燃料电池汽车全球技术法规（UN GTR 13）第二阶段为提高火烧试验可重复性提出的新方法,将对中国氢燃料电池汽车的发展产生重大影响。该文在分析火烧试验结果可重复性问题的基础上,系统研究火烧试验新方法的主要内容、特点及其提出的技术理由,指出中国标准制定、试验设施和技术研究面临的挑战,并提出若干建议。

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非铂燃料电池催化剂研究进展

刘宪伟, 薛俊海, 朱威, 庄仲滨

2022, 43(6): 286-294. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0622

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燃料电池是利用氢能的理想途径,但燃料电池对于铂催化剂的依赖限制了其发展。该文综述了近年来非铂燃料电池催化剂的研究进展。对于质子交换膜燃料电池,因为阳极需铂量低,相关研究主要集中在阴极催化剂上。对于碱性膜燃料电池,一些非贵金属催化剂在阴极展现出较高的活性,但阳极侧动力学缓慢,因此非铂催化剂的研究在两极均有开展。最后,对非铂燃料电池催化剂当前的研究重点和未来的发展方向进行总结和展望,旨在为非铂燃料电池催化剂的研究和长远发展提供指导和参考。

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物理法制备燃料电池用催化剂

刘译阳, 周小春

2022, 43(6): 295-305. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0613

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质子交换膜燃料电池的不断进步,为目前的能源需求提供了一个有潜力的解决方案。当前的研究重点是提高性能和降低整体成本的制造技术。在膜电极（MEA）组件上的催化剂沉积在过去的几十年里有许多技术已被使用,主要分为化学法和物理法两大类,其中物理法由于制备流程简单,沉积分布均匀等优点被广泛应用。该文旨在回顾许多已发表的主要技术,以展示各种各样的催化剂物理制备方法。

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单原子催化剂在氢燃料电池阴极氧还原反应中的研究进展

张鹏, 李佳烨, 潘原

2022, 43(6): 306-320. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0606

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氢燃料电池是一种高效、环境友好以及零碳排放的能量转化技术,然而高成本的贵金属催化剂阻碍了其规模化应用。单原子催化剂因具有高原子利用率、高催化活性和选择性、低成本等优点,对氧分子表现出优异的催化还原性能,在氢燃料电池中具有广阔的应用前景。如何设计合成高效和低成本的单原子催化剂成为该领域的研究热点。重点综述贵金属单原子催化剂和非贵金属单原子催化剂在氢燃料电池阴极氧还原反应中的研究进展,总结提出增强单原子催化剂氧还原性能的调控策略,包括配位结构、局域环境、双原子对、缺陷位点以及暴露活性位点等调控机制,为从原子尺度设计高效氧还原催化剂提供了思路借鉴,并对氢燃料电池氧还原单原子催化剂的发展机遇与挑战进行了展望。

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预磁极化条件下PEM水电解制氢特性与效率研究

李珂, 张横, 郑晓宇, 陈乾定, 陈卓

2022, 43(6): 321-326. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0605

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为提高质子交换膜（proton exchange membrane,PEM）水电解制氢速率、降低电解所需能耗,针对磁场预极化条件下蒸馏水的分子极性和应力特性进行研究,通过构建磁场环境下氢质子的能级跃迁微观物理模型与磁化矢量——极化氢质子浓度对应的宏观数学模型,对不同磁场强度下电解液的离子电导率、电流密度和制氢速率进行定性和定量分析,并利用自主搭建的可调节预磁极化PEM水电解制氢试验平台对所提出方法的有效性进行重复试验。试验结果表明,经过预磁极化处理的蒸馏水电导率提高了2~3倍,且随着磁场强度的增加,PEM电解电流密度不断增大,极间电圧不断减小,制氢速率明显提升。

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“双碳”背景下数据中心氢能应用的可行性研究

张诚, 檀志恒, 晁怀颇

2022, 43(6): 327-334. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0592

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氢气是可再生能源电力的优质载体,也被认为是未来数据中心行业实现碳中和的重要助力。以节能降碳为主要出发点,介绍数据中心氢能应用的意义、前景及相关研究现状,分析氢能产业链中制氢、储氢、用氢等各环节对数据中心氢能应用的影响,最后阐述氢能作为数据中心备用电源、集中式电源以及分布式电源等不同应用场景的概念性方案,并分析各应用场景的技术特点及发展前景。

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当前实用和未来发展Pt-非Pt氧还原电催化剂研究进展

程庆庆, 陈驰, 邹亮亮, 邹志青, 杨辉

2022, 43(6): 335-344. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0588

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燃料电池阴极侧氧还原反应由于其迟缓的动力学,使得贵金属铂成为最为高效的电催化剂,成本高昂,限制燃料电池规模化应用。开发低成本、高性能、可实用氧还原电催化剂尤为重要。基于课题组多年在实用化燃料电池氧还原电催化剂的研究情况,综述面向当前实用和未来发展的铂-非铂电催化剂的研究进展。重点介绍实用化高载量、高活性、高结构稳定性铂基电催化剂合成策略以及在燃料电池膜电极中的性能高效表达,同时阐述非铂碳基催化剂理性设计、可控制备。此外,对该研究方向的发展进行展望,以期加速燃料电池关键材料国产化。

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固态储氢技术的研究进展

张晓飞, 蒋利军, 叶建华, 武媛方, 郭秀梅, 李志念, 李海文

2022, 43(6): 345-354. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0536

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综述固态储氢技术的研究进展,包括储氢材料、储氢装置及其应用现状。部分储氢合金已成功用于固态储氢装置中,开发温和吸放氢条件下新型高容量可逆储氢材料是当前研发重点;储氢装置的优化设计可有效改善装置的快速传热特性,安全性能也得以保证,储氢装置已在分布式供能、机动车等领域得到示范应用,但还需进一步实现储氢系统快速响应、安全可靠和高储氢密度的协调统一。

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SiO₂包覆对La-Ni-Al-Mn储氢合金抗毒化性能的影响研究

石红强, 郭秀梅, 李志念, 王树茂, 袁宝龙, 蒋利军

2022, 43(6): 355-361. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0535

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以LaNi_3.7Al_0.75Mn_0.55（La-Ni-Al-Mn）储氢合金为基体,采用低成本的气相二氧化硅溶胶包覆法对储氢合金进行抗毒化改性研究。制备的La-Ni-Al-Mn/SiO₂复合材料表现出良好的抗毒化性能和循环稳定性,经50次循环后,合金吸氢速率保持不变,吸氢容量达1.060%。复合材料抗毒化机理为：非晶态SiO₂包覆层在热处理过程中形成原子短程有序排布的渗氢点,有效阻挡O₂、N₂等大分子气体的透过。通过对复合材料热处理工艺的优化,最终获得其最佳的热处理工艺为200 ℃下热处理2 h。

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全球加氢站产业、技术及标准进展综述

刘峻, 赵汪, 高学强, 刘聪, 尹立坤

2022, 43(6): 362-372. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0518

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以美国、欧洲、日本、中国的加氢站作为考察对象,就产业投资运营、主要设备商、相关标准进行梳理,结果表明：在加氢站投资及运营管理方面,美国、欧洲、日本具有较为成熟的经验;在氢增压、储存、加注等技术方面,德国、日本保持领先地位。在诸多氢气和液氢的技术领域,美国保持领先地位;在一些细分技术领域,英国、法国、挪威、俄罗斯具有优势;在加氢站标准方面,美国、日本具有较为完善的标准体系。中国已解决70 MPa氢气增压、加注、储存等领域的部分技术难题,但与其他国家相比,离子液式氢压缩机、液氢泵、液氢储罐、液氢加氢枪等产品的研发仍需持续推进。

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考虑氢燃料电池响应延迟特性的电网日内优化调度

韩丽, 鲁盼盼, 王晓静, 李梦洁

2022, 43(6): 373-381. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0501

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在以往调度模型中忽略了氢储能系统中氢-电环节氢燃料电池（HFC）作为一种电源其自身的响应延迟特性,这将造成电网切负荷并影响其稳定运行;由于HFC在不同负载其最优运行温度不同,当HFC在常温下启动时,工作温度的变化是造成其响应延迟的主要因素,因此该文从HFC的工作温度出发,分析HFC的响应延迟特性,建立其响应延迟特性模型,并分析负荷对其响应时间的影响,得到其在不同载荷率下的响应时间,最后结合电网日内调度周期的特点,提出根据HFC的载荷率不同,制定其能够响应不同调度周期的日内调度策略。

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富镍镧镍合金催化二苄基甲苯加氢性能研究

冯小阳, 蒋利军, 李志念, 武媛方, 叶建华, 王琦

2022, 43(6): 382-388. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0479

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采用感应熔炼和球磨方法制备镧镍储氢合金,进一步通过酸处理法原位制备富镍镧镍储氢合金。研究不同条件下制备的镧镍储氢合金催化二苄基甲苯（DBT）加氢性能。在反应温度为280 ℃时,经过4 h后,富镍镧镍储氢合金催化二苄基甲苯的加氢量达到5.34%（质量分数）,20 h后,其加氢量达到理论最大值。富镍镧镍储氢合金具备的高效催化二苄基甲苯加氢活性主要归因于镍的高效催化和镧镍储氢合金可逆吸放氢之间的相互促进作用。

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基于新能源发电的电解水制氢直流电源研究

周京华, 孟祥飞, 陈亚爱, 张贵辰

2022, 43(6): 389-397. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0460

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利用新能源发电进行电解水制氢是实现新能源就地消纳和氢能利用的重要途径,以匹配电解水制氢工作特性的制氢电源为研究对象,通过分析质子交换膜电解槽电解电流、温度与电解槽端口电压、能量效率、制氢速度之间的关系,得出制氢电源需具备输出低电流纹波、输出大电流、宽范围电压输出的特性。为满足新能源电解制氢系统需求,提出一种基于Y型三相交错并联LLC拓扑结构的制氢电源方案,该方案谐振腔三相交错并联输出,满足电解槽大电流低纹波工作特性,并采用脉冲频率控制实现谐振软开关,提高变换效率。最后,搭建仿真模型和6 kW模块化实验样机,验证所提出方案的合理性与可行性。

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火灾场景下碳纤维复合高压储氢装置热损伤特征研究

李贝, 王雪莹, 金鑫, 李强, 韩冰, 郭传江

2022, 43(6): 398-404. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0421

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通过火烧试验、水压爆破试验和热分析等手段,研究典型火烧工况下储氢装置的热响应行为、损伤形态及碳纤维复合材料微细观损伤特征。结果表明,在规定火烧条件下储氢装置平均失效压力为41.5 MPa,比常温环境下（35 MPa-166 L水爆压力125.5 MPa）降低约67%;环氧树脂热分解发生在100~600 ℃,并表现出4个明显的阶段性反应特征;碳纤维热分解主要发生在600~950 ℃,在849 ℃时失重速率最快为0.87%/℃;火灾场景下高压储氢装置可能出现火烧损伤、爆炸损伤和热辐射损伤3种典型热损伤模式,其中爆炸场景下碳纤维残余物丝体呈多处层状脆性破碎,具有明显的力学损伤特征。

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基于链式分配策略的风氢耦合系统设计与控制

卢昕宇, 杜帮华, 赵波, 章雷其, 谢长君

2022, 43(6): 405-413. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0404

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针对风力发电“弃风”电量耦合制氢问题,提出一种基于链式分配策略的风氢耦合系统。首先建立能表征弃风电量与质子交换膜电解槽主要特性的风氢耦合拓扑电路结构,围绕高降压比交错Buck变换器及其控制方法构建风氢耦合系统,并提出多堆质子交换膜电解槽风氢耦合系统链式功率分配策略。最后通过算例仿真验证该系统可提升弃风利用率和系统可靠性,可有效解决弃风电量水电解制氢耦合控制与功率分配问题。

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PEMFC翅脉流道传质及输出性能分析

孙峰, 苏丹丹, 殷宇捷, 董小平, 李志远, 庞彬

2022, 43(6): 414-419. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0370

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为研究流道结构对质子交换膜燃料电池（PEMFC）反应气体质量传输及输出性能的影响,建立翅脉流道、叶脉流道及蛇形流道的三维PEMFC几何模型,并对比3种流道的反应气体浓度分布、压力分布及电流密度分布,最后对翅脉流道结构参数进行优化。结果表明,与蛇形流道、叶脉流道相比,翅脉流道能明显改善流道和扩散层内反应气体浓度分布的均匀性,有利于强化反应气体向催化层的质量传递;翅脉流道能减小气体压力分布梯度,使反应气体扩散更加充分;翅脉流道的平均膜电流密度更大,有利于促进电化学反应稳定进行;翅脉流道能改善PEMFC的输出性能,翅脉流道峰值功率密度比蛇形流道、叶脉流道分别提高7.72%和6.25%;减小翅脉流道的直流道长度或圆弧流道圆心角,可提升翅脉流道输出性能。

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PEM电解水制氢技术的研究现状与应用展望

马晓锋, 张舒涵, 何勇, 朱燕群, 王智化

2022, 43(6): 420-427. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0360

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基于4种电解水制氢技术性能的差异和优劣,对PEM电解槽的膜电极、多孔传输层、双极板的研究现状进行总结并展望,最后结合PEM电解水制氢技术的优势,分析该技术成本发展趋势并展望该技术的应用场景和发展方向。

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基于氢气储能的热电联供微电网容量优化配置

张继红, 阚圣钧, 化玉伟, 张新, 游国栋, 张自雷

2022, 43(6): 428-434. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0355

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以光伏系统、氢燃料电池、电解槽、储氢罐构建的热电联供微电网为研究对象,制定初始投资成本等年值以及年运行成本最小的优化目标,提出热电联供微电网热负荷满足率评价指标,针对系统运行的基本约束设计微电网控制综合策略,并以某地历史源荷数据为参考,建立满足工程应用的数学模型,采用粒子群优化算法进行求解,得到氢气储能的孤岛型微电网热电需求基本方案。从应用层面论证氢气储能替代电池储能的可行性,并进行微电网系统容量优化配置,可满足居民负荷供能需求,提高系统运行经济性,预期具有较好的应用前景。

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基于等电量置换的光伏制氢一体化应用理论分析

刘聪, 高学强, 赵汪, 刘峻, 尹立坤

2022, 43(6): 435-440. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0346

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提出等电量置换概念,即在稳定制氢的基础上,光伏出力较高时将富余电力上网,光伏出力不足时,将上网的富余电力用于制氢,从而降低水电解制氢设备装机量,并提高水电解制氢设备的有效利用时间和光伏发电制氢的有效比例,降低水电解制氢设备的固定投资。最后,给出光伏实际出力曲线,阐述等电量置换在光伏制氢一体化工程项目设计中的重要意义。

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基于PEMFC-P2G与风光不确定的综合能源系统优化调度

马志侠, 张林鍹, 郑兴, 谢明浩, 杜甜甜

2022, 43(6): 441-447. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0345

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以氢气为主要燃料的质子交换膜燃料电池是一种良好的清洁能源利用介质,为应对“双碳目标”的挑战,提出基于质子交换膜燃料电池与电转气（P2G）混合储能并考虑系统中风电、光伏出力不确定性因素的综合能源系统模型。首先,对膜燃料电池进行精细化建模分析;其次,对风电、光伏等新能源采取基于小波变换-神经网络的短期预测;最后,建立包含设备运行维护成本、实时电价政策的外购能源等经济成本以及碳惩罚成本的最小优化目标的混合整数线性规划模型,且以系统安全稳定运行为约束。某园区的算例分析结果表明,所提出的考虑新能源出力与PEMFC-P2G混合储能优化模型能有效降低运行成本、减少碳排放,具有良好的经济性与环保性。

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基于鹦鹉螺仿生结构的流道对PEMFC性能提升研究

王万腾, 李楠, 许宏鹏, 徐瑞阳, 张瑾辉

2022, 43(6): 448-453. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0340

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提出一种基于鹦鹉螺旋转结构的仿生流道并建立三维单相、等温的CFD数值模型进行多物理场模拟研究,该流道进气口位于中心位置,反应气体从流场中心进入,向周围环形流道依次流动。将传统蛇形流道与鹦鹉螺仿生流道进行数值模拟分析,发现鹦鹉螺仿生流道具有反应气体分布更加均匀、除水效果更好、浓差极化损失较小、输出性能更好等优势,相比蛇形流道的峰值电流密度提升46.77%、峰值功率密度提升21.53%。

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基于神经元的PEMFC仿生流道性能模拟研究

王珂, 张拴羊, 徐洪涛, 刘舜, 毛逸君

2022, 43(6): 454-459. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0571

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质子交换膜燃料电池的流道结构对反应气体的流动和压降等具有重要影响。受神经元结构启发,提出一种兼顾径向流道和仿生流道在压降和气体分布均匀性优点的新型仿生流道结构。通过COMSOL软件模拟研究该新型流道的分支数（2~9）对质子交换膜燃料电池的性能曲线、阴极氧浓度分布、水浓度分布及压降的影响。结果表明：增加流道分支数可提高质子交换膜燃料电池的输出性能,其中9分支流道的峰值功率密度最大,为0.32 W/cm²,相比于2分支流道增加了的146.15%;分支数的增加也会提高氧浓度分布的均匀性,阴极气体扩散层与催化层交界面处的平均氧浓度从0.44 mol/m³提高到1.42 mol/m³,氧气不均匀度从2.13降低至0.90;分支数的增加也明显改善了弧形流道内的水浓度分布。此外,随着流道分支数从2增加到9,流道压降从38.57 Pa递减至4.47 Pa,质子交换膜燃料电池的输出功率从0.40 W递增到1.56 W。

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不同操作和环境条件下的PEMFC低温冷启动数值模拟研究

赵杰, 李文浩, 杜常清, 卢炽华

2022, 43(6): 460-466. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0321

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基于COMSOL建立质子交换膜燃料电池低温冷启动一维瞬态多物理场耦合模型,该模型考虑气态水和膜态水在0 ℃以下结冰来研究恒电压输出、恒电流输出、膜态水初始含量以及环境温度等不同操作和环境条件对质子交换膜燃料电池低温冷启动性能的影响。结果表明,恒电压输出模式下,低电压操作相对于高电压能产生更多的热,温度上升更快,但结冰速率也会激增,从而导致性能衰减更快;恒电流输出模式相较于恒电压能达到更高的温度,但需更好的气体传质能力;如果低温冷启动之前吹扫不足导致膜水含量较高,膜的储水能力下降,这将造成输出性能下降更快,不利于冷启动的成功进行;启动时环境温度的不同会直接影响燃料电池低温冷启动成功与否,仅依赖被动加热成功启动的初始环境温度存在极限值。

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质子交换膜燃料电池催化剂金属氧化物载体研究进展

徐广英, 梁思哲, 曾蓉

2022, 43(6): 467-475. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0297

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金属氧化物来源丰富,价格低廉,具有优异的稳定性、耐电化学腐蚀性,并且与贵金属纳米颗粒之间相互作用强,是燃料电池催化剂非碳载体研究的重要方向。本文主要介绍了几种金属氧化物载体在燃料电池催化剂中的研究进展和应用,分析了不同载体的优势与不足。研究表明杂原子掺杂金属氧化物和碳复合金属氧化物作为催化剂载体能有效提高催化剂的综合性能。最后展望了燃料电池催化剂金属氧化物载体的发展趋势。

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基于多模型的Z型流道燃料电池的性能优化

代世勋, 曹爱红, 王来华

2022, 43(6): 476-485. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0289

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建立三维质子交换膜燃料单电池（PEMFC）数值模型,探究Z型流道PEMFC流道参数（角度、宽度、深度）、运行参数（温度、氢气湿度、氧气化学计量比）对燃料电池性能的影响,并建立多神经网络（MNN）模型,对上述参数进行优化。研究结果表明,最佳流道参数为角度-宽度-深度为25°-1.15 mm-0.85 mm,最佳运行参数为温度-湿度-化学计量比为349.15 K-0.60-4.5。通过对比优化前后的Z型流道PEMFC的性能可看出,优化后的Z型流道PEMFC在稳态特性及瞬态特性方面得到明显改善。

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氢燃料电池氢气管道吹扫系统冷启动策略研究

赵金国, 肖传军, 乔勋, 刘守法

2022, 43(6): 486-492. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0250

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针对现有车载燃料电池管道在吹扫过程中氢气侧管道由于低温结冰易受阻,从而导致冷启动困难的问题,提出氢气管道两级吹扫方案,以实现对燃料电池堆氢管中剩余水、蒸汽含量的独立控制,降低冷启动时的加热能耗,避免冷启动失效。通过三维仿真对4种不同工况下阴极中段在不同时间的温度、阴极中段在不同时间的冰体积分数、电池纵向截面表面不同时间的温度进行分析,结果表明该方案可实现在-20 ℃温度下20 s内的平稳冷启动,既解决了低温冷启动困难问题,又保证了冷启动后的电堆输出性能。

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质子交换膜燃料电池参数敏感性分析

夏国栋, 张晓亚, 马丹丹, 丁荣扩

2022, 43(6): 493-499. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0238

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为分析质子交换膜燃料电池（PEMFC）的参数敏感性,采用COMSOL建立三维、两相、等温燃料电池单体模型,对其进行模拟计算。通过分析物质浓度分布、极化曲线及功率密度曲线得到不同的离聚物体积分数、背压对传质及电池性能的影响。计算结果表明：随着离聚物体积分数的增大,欧姆极化损失减小,从而使电池性能得到提升,且随着工作电压的减小,电流密度增幅增大;背压的增加使电流密度增大,改变阴极背压比改变阳极背压造成的影响更大。

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天然气制氢尾气碳减排工艺设计与优化

郭明钢

2022, 43(6): 500-507. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0187

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开发多种类分离膜与压缩冷凝耦合的梯度回收工艺,实现H₂和CO₂等组分高价值利用。考察压力、产品浓度和不同氢膜单元对工艺的影响。通过Aspen HYSYS对10000 Nm³/h处理量的工艺优化模拟得出：采用单级氢膜单元和一级二段氢膜单元,尾气进膜压力2700 kPa和H₂产品浓度60%时,工艺经济性最佳,分别实现H₂回收率81%和90%、CO₂回收率58%和60%、燃气热值16.7 MJ/Nm³和18.2 MJ/Nm³、投资回收期26.1 个月和24.4 个月。采用二级氢膜单元投资最少,最佳投资回收期16.5 个月时,氢气产品纯度为52%,低于制氢吸附装置设计要求。

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碳中和愿景下绿色制氢技术发展趋势及应用前景分析

李亮荣, 彭建, 付兵, 黄玉林, 姜慧, 齐海霞

2022, 43(6): 508-520. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0183

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围绕目前主流的绿色制氢技术,综述国内外“绿氢”技术的最新研究进展,重点阐述电解水制氢技术（碱性电解水法、质子交换膜电解水法、固体氧化物电解水法）、太阳能分解水制氢技术（光催化法、光热分解法、光电化学法）以及生物质制氢技术（热化学转化法、微生物法）的产氢原理、技术难点和改进方法等,讨论比较各类“绿氢”技术的优缺点,分析未来绿色制氢技术的应用前景和发展方向。

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考虑多变量因素影响的光伏PEM制氢系统建模与分析

苏昕, 徐立军, 胡兵

2022, 43(6): 521-529. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0168

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针对复杂工况对光伏制氢系统性能产生不确定性的影响,提出考虑多变量因素影响的光伏制氢系统模型,探索辐照度、温度、膜厚、压力等因素对光伏质子交换膜（PEM）制氢系统的影响。系统首先建立考虑辐照度、温度、膜厚、压力等因素影响的光伏-质子交换膜电解槽-氢储罐的光伏制氢模型,之后对系统进行定量计算和定性分析,并依据实际光伏数据进行实验验证。结果表明,在额定功率范围内,太阳电池输出电流和功率随辐照度的增加而增大,随温度的升高而降低。质子交换膜电解槽电压随辐照度、膜厚、压力的增加而增大,随温度的升高而减小。太阳电池输出功率、质子交换膜电解槽电压的变化趋势与辐照度变化趋势具有一致性。最终计算得到太阳电池系统、质子交换膜电解槽系统和总系统效率分别为16.8%、72.2%和12.1%。

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燃料电池汽车高压供氢系统辅助供冷仿真

宋泽华, 叶芳, 陈浩, 郭航, Zhang Weibo

2022, 43(6): 530-535. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0074

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通过数值模拟的方法,从稳态和驾驶循环2种工况对供氢系统辅助供冷方案进行评价。仿真结果表明：氢气的高膨胀比有利于空调系统能耗的下降。当环境温度为45 ℃,在中国乘用车驾驶工况下,辅助供冷方案可使空调系统能耗下降5.4%。但辅助供冷方案会给空调系统的稳定运行和座舱温度的控制带来一定的挑战。

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太阳能驱动的固体氧化物电解池制氢系统性能研究

尉倥, 段立强, 朱自强, 熊嘉丽, 李智诚, 刘旭光

2022, 43(6): 536-545. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0328

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采用太阳能驱动电解水制氢是实现将太阳能转换为氢能来存储的最佳方式。该文提出一种采用光伏、光热协同驱动固体氧化物电解池（SOEC）进行高温蒸汽电解的制氢系统。建立各子系统数学模型,选取北京地区夏至日气象参数,分析太阳辐照度对制氢系统的性能影响,最后对整个系统进行能量及火用分析。结果表明,电流密度和温度是影响SOEC工作的重要因素。在电流密度较大的情况下升高温度,将有利于提高电解效率。耦合太阳能后系统最大能量及火用效率分别达到19.1%和20.3%。火用分析结果表明系统最大有用功损失发生在光电转换过程,火用损比例为87%。提升光电效率,将成为提高太阳能-氢能转换效率的关键。

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基于光纤光栅传感器的PEMFC温度监测技术研究

刘康杰, 陈涛, 张城, 刘士华, 宋涵

2022, 43(6): 546-550. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1057

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为实现实时原位监测PEMFC的内部温度,利用光纤光栅传感技术,将光纤光栅传感器密封埋入PEMFC阴极流场板,同步在线测量不同工况条件下电池内部温度的变化。结果表明,光纤光栅传感器能实现对PEMFC的多点内温度场实时原位监测,随着电流密度阶跃的增大,PEMFC内部温度也呈现阶跃变化,且阴极大流量供气时有利于降低PEMFC内部的温度。该方法可为PEMFC内部状态参数的原位监测提供技术参考和实施方案。

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