太阳能学报

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周勇, 刘艳峰, 王登甲, 刘晓君

2022, 43(9): 1-7. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0217

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利用中国5个气候区96个气象台站的1981—2010年的日值气象数据,对比分析12个基于日照百分率和12个基于温度的日总太阳辐射计算模型在不同气候区的适用性。采用判定系数（R²）、均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MABE）、平均误差（MBE）和全局性能系数（GPI）5个评价指标,确定各气候区最适宜的模型形式。以该模型为基准,建立适用于中国不同气候区的基于日照百分率和基于温度的日总太阳辐射通用计算模型。结果表明,三次方形式的基于日照百分率和基于日较差-平均温度的模型在各气候区计算精度均最高;以该模型为基础,建立适用于中国不同气候区的基于日照百分率和基于温度的日总太阳辐射通用计算模型,其平均R²分别为0.91和0.68。

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基于CERES数据分析中国云对地表太阳辐射影响特征

秦放, 李登宣, 丁煌, 周海

2022, 43(9): 8-14. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0063

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用于地面光伏发电的太阳辐射资源受到云影响所产生的变化,由于受到观测方式限制而对其特征及关联性探究不足。针对该问题,利用CERES卫星观测时空数据,对2001—2018年中国大陆地区云对地表太阳辐射量影响特征进行分析,利用不同高度云量与云太阳辐射强迫时空分布特点,讨论云影响的太阳辐射差异对光伏出力预计影响,并通过各高度云量趋势变化与云太阳辐射强迫关联关系给出相应太阳辐射资源与光伏出力的趋势变化估计,分析云主导的太阳辐射趋势变化成因,以期为未来新能源资源评估、光伏建设规划和电力优化调度等提供支撑与参考。

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固定式光伏支架可承受荷载有限元分析

张亮, 朱紫玲, 罗冰冰, 杨晓雨

2022, 43(9): 15-20. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0046

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针对固定式光伏支架,使用实测的材料属性和三维线性开口梁单元进行有限元模拟分析。基于实测方法,通过简易横梁验证有限元模拟的准确性。根据有限元模拟结果,确定支架在正常使用极限状态下可承受的荷载。然后分别探究横梁间距、立柱数量、前后立柱间距对可承受荷载的影响,结果表明立柱数量的影响最显著,随着立柱数量增多,荷载更加均匀地分布到整个支架上,可承受荷载增加,平均每增加一对立柱,提升约1953 N;随着横梁间距的增加,中间两根横梁受到立柱的支撑效果减小,受载时局部挠曲变形增加,可承受荷载下降;前后立柱间距的变化主要影响支架受载均匀性,在间距为斜梁水平投影长度的50%时,挠曲变形较均匀地分布于4根横梁上,支架可承受荷载最大。

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激光无线输能系统光伏特性及最大功率跟踪研究

熊振阳, 蔡榕, 徐国宁, 贾忠臻

2022, 43(9): 21-29. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0870

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针对激光无线输能系统接收端激光光伏阵列由于激光强度不均匀和不稳定而导致其输出P-U特性曲线呈现多峰、波动性强、稳定性差的问题,首先结合砷化镓激光光伏电池的输出特性,建立激光光伏电池阵列模型,分析其多峰产生的原因。然后利用捕猎搜索算法动态调节粒子群算法中粒子的搜索空间,改进粒子的控制机制,提高了算法的收敛速度、跟踪精度和稳定性,且可有效避免算法陷入局部最优解。最后基于交错并联Boost电路,通过Matlab/Simulink仿真验证了该算法在激光无线输能系统输出最大功率跟踪方面应用的有效性和可行性。

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光伏系统直流母线电弧故障的固有频率法测距

唐海龙, 熊兰, 吴淑牛, 王韵, 陈永辉

2022, 43(9): 30-37. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0255

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提出一种基于固有频率法的直流母线电弧故障测距方法。在电弧故障发生后,记录输电线首端的一段暂态电压信息;对于串联电弧故障,取断路器动作后的数据;对于并联电弧故障,则取断路器动作前的数据。提取固有频率主成分后,代入公式d-v/(2f)均可实现对串联和并联电弧故障点的测距。与传统行波法测距相比,具有计算简单、测距精度高以及成本低的优点。通过电路模型仿真与低压直流输电平台实验,证明了方法的可靠性与实用性。试验结果表明,该方法的测距误差在6%以内。

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水面光伏局地生态效应观测事实分析

王燕妮, 于华明, 于江华

2022, 43(9): 38-44. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0251

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近年来以水上光伏为核心的“渔光一体”试验项目快速推广,但其建设及运行对局地生态环境的影响尚不明确。为研究水面光伏电站局地生态效应,以扬中通威渔光一体电站为例,于2020年8月20日展开水质和微生物调查。采用类别分析法评估和讨论水面光伏对水体温度、pH值、溶解氧、浊度、叶绿素、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）及微生物的影响。结果表明：扬中通威渔光一体电站运行期间,水温降低约0.5 ℃,pH值在大部分时段内低于自然站点, 溶解氧出现双峰值,浊度平均值降低11.83 NTU,叶绿素a平均浓度减少10.1 mg/L,作为污染指标的COD、BOD没有异常升高,微生物种群结构及丰度基本不变。水面光伏电站抑制藻类光合作用,对维持夏季水环境稳定、减少水华现象的发生起到积极的作用。该文的研究结果可为构建区域生态环境效应评估体系,提出水上光伏工程影响下的生态修复与保护措施提供科学依据。

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半透明晶体硅光伏热电制冷辐射窗的性能分析

章文杰, 张佳俊, 田秀丰, 梁金涵, 赵英博

2022, 43(9): 45-51. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0231

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针对一种新型半透明光伏-热电制冷辐射窗（STPV-TE-RCW）,通过实验和数值模拟方法对其热电性能进行研究,建立STPV-TE-RCW计算模型,验证其准确性,并针对STPV-TE-RCW中的热电模块不同排列形式、辐射板尺寸、散热形式等进行优化分析。在考虑结构自身发电量与耗电量关系的基础上,通过分析制冷系统COP和耗电量,认为5块热电片串联2个支路并联的热电模块排列形式,高度为1 m的辐射板尺寸和强制对流的散热形式效果更好,在这种情况下,STPV-TE-RCW的耗电量与发电量之比为0.83,制冷量能承担该结构产生的60%冷负荷,辐射铝板提供的制冷量为63.4 W/m²,热电模块的COP为1.41。

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外翅片强化PV/PCM系统热管理性能研究

沈朝, 计长勇, 张春晓

2022, 43(9): 52-56. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0083

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以光伏/相变材料冷却系统（PV/PCM）为研究对象,数值研究翅片间距、厚度及外翅片长度对PCM换热性能影响。结果表明,翅片间距降低和外翅片长度增加可强化光伏组件冷却,提升电池发电性能,但翅片厚度对PCM换热性能影响较小。此外,选取无外翅片（方案1）和有外翅片（方案2,间距7.3 mm、厚度2 mm和长度25 mm）做对比研究,相对于方案1,方案2融化时间延长34.6%,电效率下降速度减缓68%且180 min时电池温度降低约30 ℃。

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光伏相变系统温控特性及散热结构优化设计

李昊琦, 魏利平, 庄子贤, 郑茂盛

2022, 43(9): 57-63. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0073

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针对光伏相变（PV-PCM）热管理系统建立数值模型,与实验结果对比验证模型的有效性。在此基础上,研究24 h内不同复合PCM物性参数（相变温度、膨胀石墨质量分数和厚度）对太阳电池温度的变化规律,利用正交实验法和直观分析法研究最高温度、高于45 ℃与41 ℃的时长和入夜后低于35 ℃的时长的影响。进一步模拟不同类型和数量的散热翅片对太阳电池工作温度的影响,优化PV-PCM系统的散热结构。研究显示,使用内向翅片的散热结构和相变温度为40.2 ℃、膨胀石墨质量分数为15%、厚度为40 mm的复合PCM,可使太阳电池的最高工作温度最小,其值约为42 ℃。

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基于S-V特性分析的晶硅光伏组件阴影遮障诊断

马铭遥, 王海松, 马文婷, 张志祥, 张兴

2022, 43(9): 64-72. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1397

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针对广泛使用的晶硅光伏组件,通过Simulink建立太阳电池双二极管精确仿真模型,对实际应用中最常见的光伏组件阴影遮挡故障进行多种工况的仿真验证。根据I-V曲线拐点、台阶、曲线下积分面积（S）下降的特征,提出一种基于S-V曲线特性的光伏组件阴影遮挡故障的在线诊断方法。该方法建立S-V曲线,根据S-V曲线分叉点位置可判断光伏组件遮挡情况,通过整体积分面积进而判断遮挡比例。对温度、辐照度进行折算,使该方法在全工况下适用。结合光伏组件功率优化器验证该诊断方法有较高的准确率,并且可准确地判断阴影遮挡面积,具有很高的实际应用价值。

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2-巯基嘧啶界面钝化改善钙钛矿太阳电池性能

杜林, 彭长涛, 唐宇, 江雨童, 舒慧, 黄跃龙

2022, 43(9): 73-77. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0267

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该文研究2-巯基嘧啶（2-MP）对三元阳离子钙钛矿太阳电池光吸收层与空穴传输层的界面进行钝化,钝化改善薄膜及器件的光电性能。瞬态和稳态光致发光荧光光谱表征结果说明钝化后的钙钛矿薄膜非辐射复合被抑制。这均有利于抑制载流子复合和提升开路电压。钝化后薄膜疏水性增强,更好地阻挡水汽侵蚀,提升稳定性。光强依赖性测试结果表明2-MP有效地钝化缺陷。J-V测试表明钝化后器件光电性能明显改善,开路电压最高达1.133 V,效率最高达21.66%。并且优化器件的稳定性显著改善,在氮气中储存97 d后效率保持初始效率的90%。

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加热和水处理共同调控PbI₂薄膜形貌及其在钙钛矿太阳电池中的应用研究

周生厚, 章文峰, 江雨童, 林埔安, 周祥青, 黄跃龙

2022, 43(9): 78-82. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0237

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该文研究加热和水处理共同作用对PbI₂薄膜形貌的调控和对钙钛矿太阳电池性能的影响。使用的钙钛矿体系为（FAPbI₃）_1-_x（MAPbBr₃）_x,并在两步法工艺基础上对PbI₂薄膜进行不同时间加热和短时间水处理可将PbI₂薄膜制备成多孔结构。将双重处理后的PbI₂薄膜制备成钙钛矿薄膜后,可发现钙钛矿薄膜质量明显提升,表现在：钙钛矿的晶粒尺寸明显增大、结晶性增强、吸光能力提升、载流子传输更快。且此种方式能有效调控钙钛矿薄膜中的PbI₂残留量。在器件效率方面,只对PbI₂薄膜进行加热处理制备的电池的开路电压、短路电流、填充因子和效率分别为1.05 V、23.12 mA/cm²、73.81%和17.92%,而在最优双重处理工艺下制备的电池的这4个相应的参数分别为1.09 V、24.75 mA/cm²、77.85%和21.10%。

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ITO/Metal/ITO叠层电极中Cu/Ag对钙钛矿太阳电池电极性能的影响

江雨童, 陈东, 孙泽华, 黄跃龙, 俞健, 陈涛

2022, 43(9): 83-87. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1379

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研究ITO/Metal/ITO（IMI）电极中金属层Cu和Ag及其厚度对电极光电性能的影响,结合霍尔测试、紫外分光光度计、原子力显微镜等分析金属层材料和厚度对IMI电极光电性能以及形貌的影响。通过优化金属层厚度,获得方阻分别为11.2 Ω/□和14.5 Ω/□且400~800 nm波长范围内平均透过率分别为93.9%和86.5%的ITO/Ag/ITO和ITO/Cu/ITO电极。将IAI和ICI电极作为正面电极应用于钙钛矿太阳电池,太阳电池的填充因子从62.5%提升至78.0%。IMI在短波段的较大反射率会导致电池短路电流密度低1~2 mA/cm²。当Cu层和Ag层的厚度分别为7.4 nm和6.4 nm时,钙钛矿太阳电池的效率达到最佳。

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光伏/光热-地源热泵联合供热系统运行性能研究

刘仙萍, 田东, 雷豫豪, 郝小礼, 李大鹏

2022, 43(9): 88-97. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0172

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为解决太阳电池的发电效率随温度升高而下降以及地源热泵系统供热引起的土壤热失衡问题,以典型居住建筑的光伏/光热-地源热泵（PV/T-GSHP）联合供热系统为研究对象,基于TRNSYS软件,采用土壤温度、地源热泵机组季节能效比、光伏发电效率和太阳能保证率为评价指标,对该联合供热系统进行运行性能分析。研究结果表明：夏热冬冷地区（以长沙为例）太阳能保证率相对较高,PV/T组件面积为满屋顶最大化安装（900 m²）时,第20年末土壤温度相比初始地温仅升高0.8 ℃,热泵机组季节能效比约为5.1,太阳能保证率为97.0%~98.7%;不同气候地区的太阳能保证率与PV/T组件面积和建筑全年累计供热量有关,通过定义单位建筑全年累计供热量PV/T组件面积指标,得到中国不同气候地区的太阳能保证率与该指标的耦合关系,回归方程的决定系数R²为0.983,得出在已知建筑全年累计供热量和太阳保证率设计目标值的条件下所需PV/T组件面积的计算方法。PV/T-GSHP联合供热系统的全年运行能耗显著小于平板太阳能集热器-地源热泵联合系统（最小降幅为沈阳,49.7%）,远小于空气源热泵（最小降幅为石家庄,79.8%）和燃气壁挂炉（最小降幅为沈阳,65.1%）。

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基于相变材料的双通道PV/T系统性能研究

娄尚, 朱群志, 李琛, 梁潇天, 付在国

2022, 43(9): 98-103. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0104

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研究了以水为工质的双通道PV/T系统性能。实验测量水的光学特性,并搭建室内实验台,在实验室条件下对双通道PV/T系统性能进行实验研究。对比研究不同流速和有、无相变材料对系统性能的影响,包括对太阳电池工作温度和系统电、热效率的影响。研究结果表明,双通道PV/T系统可有效降低太阳电池的工作温度;工质流量从100 mL/min增加至300 mL/min,双通道PV/T系统太阳电池平均温度降低1.77 ℃,电、热效率分别增加0.09%和4.11%;相比于电性能,流量的变化对系统的热性能影响更大;采用相变材料的双通道PV/T系统,进一步降低太阳电池的工作温度,提升系统的电热效率,系统可达到更高综合利用效率。

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新型人工光合作用系统的能量和质量平衡研究

关学新, 沈勇婷, 裴刚

2022, 43(9): 104-110. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0249

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该文提出一种新型人工光合作用（AP）系统,通过PV/T装置将太阳能光热综合利用,转化为热能和电能,分别供给吸附式碳捕获和碳还原的反应过程。建立并耦合PV/T模型、吸附碳捕获与碳还原反应模型,随后基于CO₂还原反应所需的CO₂质量进行能量-质量匹配性分析。结果表明,金属有机骨架74（MOF-74）的CO₂捕获量比活性炭大了6倍,具有较大的CO₂捕获潜力,但当MOF-74吸附剂的质量高于50 kg时,CO₂捕获的热效率降低到20%以下。采用聚光度为10的1 m²的PV/T时,15 kg的MOF-74可在一天内捕获0.45 kg的纯CO₂,并制备0.152 kg甲烷。

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套管式腔体在盐水淡化过程中的光热及产水性能研究

姬亚宁, 伍纲, 冯朝卿, 程瑞锋, 袁余, 马前磊

2022, 43(9): 111-118. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0270

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该文研究一种基于菲涅尔反射镜场和降膜方式相结合的多级套管式淡化系统,分析2种腔体结构,确定了光学性能更好的圆型腔体,并对其内部淡化过程进行仿真计算。建立两级淡化系统的能量流动模型,并进行稳态和瞬态加热实验,由稳态实验数据计算出月牙型有限空间内部自然对流传质经验关系式。瞬态试验结果表明,第1、2级的最高产水量分别为3.79和2.64 kg/h。

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太阳能热利用系统能势匹配程度的对比分析

张沛晔, 穆瑞琪, 刘明, 严俊杰

2022, 43(9): 119-124. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0246

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基于太阳能热利用系统,建立能势分析模型,对太阳能聚光过程、光热发电、光热化学等主要环节进行能量分析和能势分析,并对光热发电、光热化学2种技术路线进行对比。结果表明太阳能与吸热工质能势不匹配是太阳能热利用系统效率的关键限制因素,热功转化、热化学过程的不可逆性相对较小。现有太阳能光热、光热化学热利用系统的效率均较低,有较大的提升潜力。

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不同装机容量下S-CO₂塔式太阳能热发电系统的热力及经济性能分析

杨竞择, 杨震, 段远源

2022, 43(9): 125-130. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0244

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建立超临界CO₂布雷顿循环塔式太阳能热发电系统的热力性能和经济性能模型,比较不同装机容量下系统的年均效率,分析系统中各项成本占比及其随容量增长的变化规律,提出进一步降低发电成本的方法。结果表明,主要受镜场效率的影响,系统年均效率随装机容量增加先升后降,峰值为20 MW时的17.4%。发电成本随装机容量的增加而减小,由1 MW时的0.477 美元/kWh降至100 MW时的0.125 美元/kWh。减小镜场和储热的投资成本是降低大规模电站发电成本的关键。

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基于太阳能热驱动甲烷重整制氢的燃料电池发电系统性能研究

李勇霞, 段立强, 潘盼, 郭耀飞

2022, 43(9): 131-138. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0239

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该文采用Aspen Plus软件建立膜反应器重整制氢及燃料电池模型,根据拉萨某日太阳能直接辐射强度（DNI）变化计算太阳能可供使用的能量,作为外热源输入重整系统,并分析反应温度、水碳比（S/C）及DNI对该系统各性能指标的影响,性能指标包括甲烷转化率、H₂收率、电池功率及电压、太阳能转换为氢能的效率。结果表明：反应温度为500 ℃,S/C为2.5时有利于太阳能甲烷湿重整反应;系统日性能结果显示在某日10:00—20:00时,电池输出功率120 kW,太阳能-化学能转化效率0.368,系统发电效率0.225。

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应用于日光温室墙体的相变材料热物性优化研究

邹平, 姜鲁艳, 凌浩恕, 马艳, 马彩雯, 史慧锋

2022, 43(9): 139-147. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0223

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建立日光温室计算传热模型,以室内空气温度和墙体内表面温度为指标,通过实验方法验证了所建立的传热模型准确性,最后分析相变材料相变温度、相变焓、导热系数、密度等热物性对室内最低温度和相变蓄热率的影响规律,确定被动式相变蓄热墙体和主-被动式相变蓄热墙体的最佳相变材料热物性,阐明了实际应用时相变材料选择原则。研究结果表明,所建立的日光温室传热模型具有较高准确性,可用于日光温室墙体相变材料热物性优化;主-被动式相变蓄热墙体最佳相变材料的相变温度为27 ℃,相变焓为200 kJ/kg,导热系数为0.35 W/（m·K）,密度为440 kg/m³,被动式相变蓄热墙体最佳相变材料的相变温度为26 ℃,相变焓为200 kJ/kg,导热系数为0.35 W/（m·K）,密度为792 kg/m³;最佳相变材料热物性应用时,2种墙体室内最低温度均可达到15.0 ℃,但是被动式相变蓄热墙体的相变蓄热率较主-被动式相变蓄热墙体减小29.5%。本研究可为相变材料在日光温室的高效利用提供参考。

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碟式聚光器的月光聚光比分布计算模型

王皓, 郭明焕, 王志峰

2022, 43(9): 148-154. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0216

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碟式聚光器和塔式聚光器均是点聚光系统,为了用月光法间接测量塔式聚光系统的聚光比分布,适宜用聚光稳定的碟式聚光器研究不同月相的光源亮度分布对聚光比分布的影响。主要建立月光下碟式聚光器的聚光比分布计算模型,首先依据拍摄的月相灰度图像建立分块均匀的光源亮度分布模型,再基于三维激光扫描点云数据生成准确的反射镜面形;在光线追迹过程中均匀采样镜面上的反射点,且考虑聚光器的跟踪误差;镜面的光学误差与光源的亮度分布合并为等效的光源亮度分布。模拟聚光比分布与实验聚光比分布的余弦相似度α>95%,光学模型准确性高。

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多级相变太阳能通风吊顶蓄放热特性研究

李勇, 宋旺, 刘艳峰, 陈耀文, 王登甲, 刘加平

2022, 43(9): 155-162. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0205

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提出一种基于太阳能热风供暖系统的多级相变通风吊顶新型供暖末端。建立多级相变太阳能通风吊顶传热数值模型,对比研究了单级、两级和三级相变太阳能通风吊顶的蓄放热特性,分析相变材料的长度配比、空气流速对供暖末端蓄放热性能的影响规律。研究结果表明,与采用单一相变材料的通风吊顶相比,多级相变太阳能通风吊顶在蓄放热过程中出口平均温度差异更小。相变蓄热级数为3时,通风吊顶的蓄、放热效率及相变材料利用率改善最大,分别为6.5%、7.9%和25.1%,各级相变材料长度的配比为1∶1∶1时,蓄、放热效率及相变材料利用率最佳,分别为51.0%、88.7%和93.9%。空气流速不宜大于1.6 m/s,在保证供暖效果的前提下可适当减小空气流速。

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壁面材料对太阳能降膜吸收特性影响的实验研究

綦戎辉, 董传帅

2022, 43(9): 163-168. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0105

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为探索壁面特性对降膜吸收及太阳能利用的影响,实验研究了不同竖壁表面（不锈钢、PTFE塑料及这两者的超亲水改性表面）上的氯化锂气液吸收过程。结果表明,更小的表面接触角不仅有利于液膜铺展及膜厚降低,还可增强表面波动频率与振幅,从而促进了传质。不锈钢壁面上的液膜厚度较PTFE壁面上薄20%,传质量提升35%以上。超亲水改性后不锈钢表面上的膜厚进一步降低15%,振幅/膜厚比提高25%,传质量提升了30%以上。与不锈钢表面相比,塑料表面超亲水改性对传质的提升更为明显。基于实验获得了降膜形态随填料表面接触角变化的经验关联式,并预测了对系统能耗及太阳能利用率的影响,为太阳能除湿空调、吸收式制冷、蒸发冷却等相关工程应用提供参考。

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太阳辐射对辐射地板供冷性能的影响

黄晨昱, 李念平, 阿勇嘎, 袁宸章, 汪泳思, 陆美瑶

2022, 43(9): 169-175. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0059

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以长沙地区某南向设窗的实验房间为研究对象,采用EnergyPlus能耗模拟软件建立辐射地板结合风机盘管供冷空调系统的数值模型,并通过实验验证该模型的可靠性。通过规范计算及模拟分析量化不同窗墙比下太阳辐射得热对该系统中辐射地板供冷能力及风机盘管系统设计容量的影响,并提出一种在太阳负载下辐射系统容量预测的简化方法。

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波纹形太阳能通风预热墙热效率简化计算方法

高萌, 周勇, 王登甲, 刘艳峰

2022, 43(9): 176-183. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0033

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为得到易于直接应用的波纹型太阳能通风预热墙热效率简化数学表达式,建立太阳墙的仿真模型,引入高度比H^*、特征厚度δ^*、孔隙率σ、波纹凹凸度L_w、波纹度W^*等5种结构参数,通过数值模拟研究其与近壁面雷诺数Re对太阳墙努塞尔特数σ、热传递系数He和压差值P_drop的耦合影响关系。发现系统性能指标与Re间呈幂函数规律,与σ的对数和其他参数间则呈二次指数函数规律。利用LM优化算法求得计算式的经验系数,结果表明Nu和压差的简化计算结果与仿真模拟结果存在最大不超过6.85%的偏差。集热效率的简化计算结果与实验测试结果存在平均4.89%、最大6.69%的误差,相比传统计算方法所得的修正结果平均提高近10%的精度,数据吻合良好,可为工程设计提供参考。

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分布式太阳能集中供暖系统用户与集中蓄热装置容量匹配优化设计

刘艳峰, 万静, 陈耀文, 唐欢龙, 李勇

2022, 43(9): 184-192. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1092

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以蓄热系统各部分蓄热容积为决策变量,蓄热系统全寿命周期费用总现值为优化目标建立蓄热系统优化模型,并通过Hooke-Jeeves优化算法进行求解。以西宁市某小区为案例进行蓄热系统优化,结果表明：用户总蓄热容量与集中蓄热容量的最优配比为3∶2。分布式各蓄热水箱最优容积相比传统太阳能系统蓄热容积计算结果减少40%以上。随着蓄热水箱容积的增大,系统辅助热源供热量先降低后升高,太阳能产热量先升高后趋于定值,系统初投资呈增加趋势,运行投资与蓄热系统寿命周期费用总现值均呈先降低后升高的趋势。最后以寿命周期费用节约百分比为评价指标分析影响因素的影响程度,敏感性大小依次为锅炉供热单价>折现率>寿命周期。

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沿海滩涂风力机近尾流风速分布特性研究

潘月月, 李正农, 徐海华, 王艳茹, 蒲鸥

2022, 43(9): 193-201. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0365

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为获得风力机近尾流风速在垂直方向和水平方向的变化规律,提出一种测量风力机近尾流区风速的实测方法。针对某沿海滩涂风电场,采用2台搭载风速仪的无人机对近尾流区进行测量。结果表明：垂直方向,尾流和来流风速比值在1.0D~2.5D处（D为风轮直径）随着高度的增加呈先减小后增大的趋势,在轮毂中轴线处存在最小值0.53~0.68;风速比值沿轮毂中轴线呈非对称分布。0.5D处风速比值分别在上下风轮处存在2个极小值0.56和0.50。水平方向,风速比值在1.0D~3.0D处沿径向距离从左向右呈先减小后增大的趋势,在轮毂中轴线处存在最小值（0.54~0.78）;风速比值沿轮毂中轴线呈对称分布,随着风轮下游距离的增加呈扩张趋势。最后给出用于A类风场风力机下游尾流风速剖面的预测公式。

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基于虚拟惯性的双馈异步风力发电机控制方法及其稳定性分析

马建民, 单士睿

2022, 43(9): 202-210. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0295

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针对传统的同步发电机缓慢运行可能会影响微网系统稳定的问题,研究虚拟惯性控制方法在双馈异步电机风力发电机中的应用。首先详细介绍引入虚拟惯性的2种控制方法及其数学模型,然后通过构建小信号模型研究所提出的控制方法对于孤岛模式下微网系统稳定性的影响,比较使用双馈风电机组旋转质量或超级电容器作为虚拟惯性源的优缺点以及风速变化的对于系统稳定性的影响。最后,基于Matlab/Simulink建立仿真模型,仿真结果证明,引入虚拟惯性可显著增加系统稳定性,但基于旋转质量虚拟惯性控制效果受风力发电机转速影响较大,基于超级电容器的虚拟惯性控制效果最佳。

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静水及波浪中四筒型基础的动力及运动特性研究

刘宪庆, 赵明阶, 乐丛欢, 余葵, 罗盛

2022, 43(9): 211-217. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0268

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以四筒型基础为研究对象,通过模型试验和数值模拟的形式对影响结构静水和规则波浪中动力及运动特性的因素进行分析。结果表明：MOSES能较好地预测结构在静水中的动力特性以及波浪中的运动响应的变化趋势;结构摇荡运动的附加质量系数取值在1.4~1.6之间,大于船舶动力学的建议值1.2;随着吃水的增加,结构的垂荡运动呈增大趋势,但结构的摇摆运动呈下降趋势;随着水深的增加,结构的摇荡运动呈下降趋势,即浅水可增强结构的竖向运动。

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基于多岛遗传算法的钝尾缘翼型多目标优化设计

覃锴, 伊鹏辉, 刘兆方, 黄典贵

2022, 43(9): 218-225. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0253

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针对大型水平轴风力机叶片运行工况复杂和结构强度要求高的问题,提出一种钝尾缘翼型的多目标优化方法。基于多岛遗传算法,采用Hicks-Henne型函数和钝尾缘函数对钝尾缘翼型进行参数化拟合,通过Matlab软件自编程序调用XFOIL气动分析软件进行流场分析,对选定翼型进行多工况多目标优化设计。整个优化过程集成在Isight平台中,可实现自动优化。采用上述方法,选用NACA63921翼型作为初始翼型进行多目标优化,利用Fluent转捩模型对得到的钝尾缘翼型进行CFD数值验证,并与几种常见的同厚度翼型进行对比。数值验证表明,优化得到的钝尾缘翼型在多个工况点下的升阻比均高于同厚度的FFA、DU系列等现有风力机翼型,在失速工况区流动分离延后,具有更好的气动稳定性。

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基于神经网络的最优带宽风电并网自抗扰控制

周雪松, 杨子明, 马幼捷

2022, 43(9): 226-235. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0240

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为了提高风能转换系统在故障穿越期间直流母线电压的暂态特性,解决线性自抗扰控制（LADRC）中固定的带宽带来的观测器响应速度和系统抗干扰性之间的矛盾,在线性自抗扰控制（LADRC）的基础上提出一种基于神经网络的最优带宽线性自抗扰控制（LADRC-OB）策略。首先分析带宽对系统性能的影响,然后根据系统已知模型设计LADRC控制器,并利用BP神经网络算法通过直流母线电压的参考值与实际值之间的偏差调整网络的输出。而神经网络的输出为LADRC的2个重要参数——观测器带宽ω₀和控制器带宽ω_c,这可解决LADRC的参数整定问题。最后,将LADRC-OB应用于1.5 MW的风能转换系统仿真模型中,并与采用双闭环PI时的控制效果进行对比,验证LADRC-OB具有更好的控制特性。此外,还对LADRC-OB的稳定性进行分析。

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基于多失效模式的海上浮式风电机组结构可靠性研究

石嫄嫄, 和庆冬, 吴衍剑, 杜君峰, 张敏

2022, 43(9): 236-241. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0224

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为准确评估浮式海上风电机组结构服役安全性,提出一种基于多失效模式的可靠性评估方法。以美国国家可再生能源实验室（NREL）研制的5 MW浮式风力发电机组OC3 Hywind为目标模型,根据不同海况下浮式风电机组结构耦合动力响应分析结果,分析关键结构的不同失效模式,最后基于多失效模式的可靠性评估方法计算整体系统可靠性。结果表明,考虑串联系统,基于多失效模式可靠性分析方法得到的海上浮式风电机组结构整体的失效概率远高于单一模式失效概率,采用此方式评估结构可靠度更加安全准确。

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尾缘非定常射流襟翼对垂直轴风力机气动特性影响研究

王培麟, 刘青松, 缪维跑, 李春, 罗帅, 李根

2022, 43(9): 242-250. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0137

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为提升垂直轴风力机气动性能并改善其动态失速特性,将射流襟翼布置于翼型尾缘压力面,并提出5种射流控制策略,采用计算流体力学方法研究不同策略对垂直轴风力机气动性能影响,从而确定最佳控制策略。结果表明：在180°~360°相位角范围内施加射流控制可使风力机风能利用系数在最佳尖速比下提升31.31%,并有效抑制吸力面尾缘涡形成与发展,增大翼面两侧压差;射流越靠近尾缘,垂直轴风力机气动性能提升效果越好。

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基于转子动能控制的风电机组功率平滑控制结构及优化策略研究

王海旗, 晋涛, 刘星廷, 王欣伟, 郭瑞宙, 程胤璋

2022, 43(9): 251-257. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0134

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采用转子动能控制方法对直驱永磁同步风力发电机组输出的有功功率进行功率平滑控制,并对控制效果进行优化。首先,分析转子动能控制造成功率损失的原因,并据此提出一种能够补偿功率损失的平滑指令,结合风电机组稳定性分析,得到风电机组采用功率平滑控制的条件,以此采用Matlab/Simulink进行仿真分析,验证所提控制策略的有效性。然后,利用模糊逻辑控制算法（FLC）进行优化控制,以提高风电机组输出有功功率平滑度和风能利用率,并改善由于功率指令切换造成的平滑度下降问题。最后,通过Matlab/Simulink进行仿真分析,对比不同参数下的优化效果,验证所提控制策略和优化方法的有效性。

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考虑风电接入的电压控制区域修正方法研究

李英量, 王康, 高兆迪, 王德明, 宋楠, 朱琦

2022, 43(9): 258-266. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0131

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传统的电压控制区域（VCA）划分会随风电出力的波动而发生变化,为了获得能够适应各种风电出力的稳定分区,提出一种考虑风电接入下电压控制区域的修正方法。首先,为了研究风电出力的波动性对分区的影响,将风电出力概率分布离散化为多个场景,研究每个出力场景下的潮流、分区。其次,利用雅可比子矩阵建立含有功因素的灵敏度矩阵与电气距离矩阵,采用凝聚的层次聚类法对风电出力不同断面条件下的PQ节点分区。通过Q-V曲线的极小值将与PQ节点无功限值一致的发电机组也归为一组,再利用灵敏度法将剩余的PV节点逐次划分获得全网分区。最后,通过识别VCA边界,利用断线分析法将电压波动不一致的边界节点重新划分,从而提升区域之间的电压解耦程度,实现区域的拓扑优化。将IEEE39节点系统处理为多个风电出力场景,并对每个场景的出力断面进行仿真分析。结果表明,所提方法能合理体现由于风电出力波动导致的分区变化,并可修正不同出力场景下的分区变化,可为系统各区域的电压稳定控制提供条件。

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海上风电结构横风向气动力阻尼特性研究

姜军倪, 董霄峰, 王海军, 练继建

2022, 43(9): 267-272. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0103

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基于横风向气动力阻尼理论计算模型,以NREL-5 MW海上风电机组为例,对其运行过程中横风向气动力阻尼进行计算,并采用FAST软件对计算结果进行验证。之后,研究转速、叶片桨距角和运行方式对横风向气动力阻尼的影响。研究结果表明：NREL-5 MW海上风电机组结构运行状态下的横风向气动力阻尼在0%~0.8%范围内变化,其随风电机组运行转速及叶片桨距角的增大而增大;此外,海上风电机组不同运行方式对其横风向气动力阻尼也会产生较大影响。

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偏航速度对风力机功率及叶片应力的影响研究

张建伟, 汪建文, 闫思佳, 杜运超, 王赢政

2022, 43(9): 273-279. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0092

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通过实验测试,以动态旋转平台模拟风力机风向变化及偏航对风,研究不同偏航速度及偏航延时时间对风力机叶片应力及功率的影响。结果表明：动态偏航对风过程中,应力值基本呈由前缘向后缘、叶根向叶尖递减的趋势,在叶展方向0.67R及0.75R处,叶根弦向方向0.25c及0.50c处出现应力集中现象,偏航延时时间的加入可有效抑制叶片应力波动,过慢的偏航速度会导致功率曲线出现较大波动。引入一无量纲系数,该系数为风力机功率及叶片应力的比值,通过分析得知在仅考虑风力机叶片应力及功率时,风力机最佳偏航速度为0.5°/s。

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基于改进Prony变换的时频分析方法及其在海上风电结构中的应用研究

熊根, 王滨, 陆南辛, 夏露, 祝周杰

2022, 43(9): 280-286. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0084

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针对现行的时频分析方法（包括小波变换和希尔伯特黄变换等）在分析海上风力机的实测信号时的不足,发展一种基于改进Prony变化的短时时频分析方法,并使用风电基础结构与风电整机结构的海上实测数据验证该方法的正确性。通过与现有的几种主要使用的时频分析方法进行对比研究,对比论证新方法及传统时频分析方法在应用于海上风电结构时的实用性和可行性。

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风电齿轮箱行星轮系的齿面摩擦与齿根裂纹耦合效应计算方法

花志锋, 赵荣珍

2022, 43(9): 287-293. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0078

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针对风电增速箱故障率偏高的问题,在对风电机组传动系统的振动响应机理进行分析的基础上,提出一种同时考虑齿根裂纹与齿面摩擦2种因素耦合情况下计算风电增速箱行星轮系动态响应的方法。首先分析考虑不同滑动摩擦因素时,含齿根裂纹缺陷的齿轮其啮合刚度的变化情况;随后运用集中参数法建立一种同时考虑平移和扭转2种力学效应相互影响作用的行星轮系动态响应计算模型。使用该模型在考虑齿根裂纹、齿面滑动摩擦2种因素耦合情况下,对行星轮系时变啮合刚度影响作用进行仿真计算。结果表明,齿面间的滑动摩擦力将导致行星齿轮扭转振动响应在低频区域受到抑制、中频区域得到增强,而齿根裂纹会导致系统出现调制效应且该效应会使行星齿轮的扭转振动频谱响应在行星轮与太阳轮间的啮合频率附近出现调制边频带现象。

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基于VMD和SVPSO-BP的滚动轴承故障诊断

曹洁, 张玉林, 王进花, 余萍

2022, 43(9): 294-301. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0071

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为了提高旋转机械滚动轴承故障诊断的准确率,提出一种基于变分模态分解（VMD）和缩放变异粒子群算法（SVPSO）优化BP神经网络的旋转机械滚动轴承故障诊断方法。通过在标准粒子群算法中加入缩放因子以及粒子变异操作提升其局部与全局寻优性能,得到一个改进的粒子群算法——缩放变异粒子群算法（SVPSO）,再利用该算法优化BP网络的权值与阈值,提高BP神经网络的故障诊断精度;进一步,为了减少输入特征向量对BP神经网络分类性能的影响,采用VMD分解轴承振动信号,并计算其IMF分量时频熵的方法构建信号特征向量。通过与其他采用相同基准轴承数据集的诊断方法作对比,所提方法的故障诊断精度和算法稳定性均得到有效提升。

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基于改进的显式算法对叶片模具翻转架的失效调查

王景华, 张磊安, 李成良, 黄雪梅, 刘卫生, 李建伟

2022, 43(9): 302-307. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1400

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为对风电叶片模具翻转架进行失效调查,使用改进的显式接触算法对翻转座进行仿真分析。首先,对翻转架进行受力计算,选中6支座中的危险部件进行实体有限元建模。模型中,基于经典显式动力学算法使用重心位置映射的方法对网格单元的间隙变量进行改进,并据此进行网格仿真,最后得到翻转座受力云图。结果显示：施加在液压缸推杆的交变载荷诱发了推杆中部的断裂,且改进算法进一步减少了单元聂动,在计算稳定性上提高13%,计算次数提高6%,为大型部件的接触计算提供理论与应用借鉴。

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基于风速波动特征提取的超短期风速预测

张家安, 刘东, 刘辉, 宋鹏, 刘京波, 吴宇辉

2022, 43(9): 308-313. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1371

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针对风电场风速预测准确度不高的问题,提出一种基于风速波动特征提取的超短期风速预测方法。首先建立风速-风速变化量联合概率密度模型,分析风速的不确定性特征;根据风速波动特征,应用集合经验模态分解（EEMD）和风速分量样本熵（SampEn）值,将风速分解重组为波动量和趋势量;应用人工鱼群算法（AFSA）优化小波神经网络（WNN）进行趋势量预测;应用改进非线性自回归（INARX）神经网络对风速波动量进行预测,进而得到预测风速。通过实际风电场风速仿真预测,并与多种预测方法对比,表明该预测方法预测结果误差较小,可准确地进行超短期风速预测。

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大型风电场多Agent系统建模仿真及降损控制

肖运启, 李浩志, 卢泽众, 马静静, 付楠

2022, 43(9): 314-320. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1369

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设计一种基于多Agent的风电场控制架构,并针对集电线路损耗突出的问题,提出一种无功降损控制策略。同时,开发基于Java/JADE + MySQL + Matlab/Simulink的混合仿真平台,对某125 MW大型风电场进行多Agent系统建模,算例结果验证了所提策略的有效性。

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不同阻尼比下俯仰运动轨迹对半主动扑翼捕能特性的影响

张加诚, 朱建阳, 潘艳桥, 朱名康, 田长斌

2022, 43(9): 321-330. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1361

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基于不同俯仰运动轨迹俯仰角的有效值和平均值相同的原则,运用数值计算的方法研究俯仰运动轨迹和阻尼比变化对半主动扑翼捕能特性的影响。结果表明俯仰运动轨迹对半主动扑翼捕能性能的影响与系统阻尼比相关,当阻尼比分别为2和4时,采用正弦俯仰轨迹的半主动扑翼在捕能功率和捕能效率方面均优于采用其他轨迹的扑翼,对比梯形轨迹扑翼,阻尼比为2的正弦俯仰轨迹扑翼效率增加7.96%。而当阻尼比为1时,采用三角俯仰运动轨迹扑翼具有最大的捕能效率。通过对不同半主动扑翼的流场分析发现,运动轨迹和阻尼比可改变扑翼前缘涡的涡流强度和涡流脱落形成时间,从而影响扑翼的捕能性能。

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基于改进小波包的风电机组齿轮箱复合故障特征提取研究

张振海, 王维庆, 王海云, 曹源

2022, 43(9): 331-336. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2019-0315

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针对小波包分解振动信号时会产生频谱混叠从而导致齿轮箱复合故障特征能量谱提取困难的问题,提出基于旁路滤波改进小波包的方法对双馈风电机组齿轮箱复合故障振动信号进行研究,并以风电场的大量齿轮箱振动信号为基础,运用传统小波包及旁路滤波改进小波包分别对齿轮箱振动信号提取特征能量谱。实验结果表明：运用旁路滤波改进小波包对双馈风电机组齿轮箱复合故障振动信号进行分析,可有效避免传统小波包分析振动信号的频谱混叠现象,准确提取每种故障状态的特征能量谱。

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铺层材料单层厚度对风力机叶片低阶模态频率的影响分析

郑玉巧, 马辉东, 卢秉喜

2022, 43(9): 337-342. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0271

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针对大型风力机叶片铺层材料单层厚度对叶片模态频率的影响作用,对铺层材料单层厚度间的耦合机制进行研究。采用Box-Behnken法设计实验,建立叶片铺层单层厚度与其第一阶模态频率间的响应面模型,揭示叶片不同铺层材料单层厚度对模态频率的影响规律。以叶片前两阶模态频率为优化目标、以铺层材料单层厚度为设计变量建立优化数学模型,并采用遗传算法与有限元法结合进行全局寻优。以某企业1.5 MW叶片为算例,结果表明,优化后叶片第一阶挥舞、摆振频率均提高了0.07 Hz。

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面向碳中和的生物柴油制备及应用研究进展

陈冠益, 夏晒歌, 李婉晴, 颜蓓蓓, 赵凯歌, 程占军

2022, 43(9): 343-353. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0232

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对制备清洁能源——生物柴油的化学催化酯交换法及其他方法,生产生物柴油的反应器及其后续开发利用等进行总结,并分析目前生物柴油在发展过程中所存在的问题,对其未来发展方向提出一些建议。

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餐厨垃圾厌氧发酵产沼气过程中的微生物群落结构解析

纪栋, 姚志松, 张陈, 魏志豪, 宗正玲, 苏有勇

2022, 43(9): 354-362. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1403

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以餐厨垃圾为原料,分别进行批量和半连续厌氧发酵,并对微生物进行Miseq高通量测序,结果表明：在餐厨垃圾批量厌氧发酵情况下,最佳发酵温度为35~40 ℃,最佳发酵浓度约为8%。在餐厨垃圾半连续厌氧发酵情况下,最佳发酵温度约为35 ℃,发酵系统的最佳有机负荷在2.50~3.00 g VS/（L·d）之间。通过高通量测序分析,发现有Synergistaceae、Porphyromonadaceae、Rikenellaceae、Clostridiaceae_1等细菌种群为厌氧发酵系统相对丰度较高的菌群,有Methanosarcinaceae、Methanomicrobiaceae、Methanosaetaceae等古菌种群为厌氧发酵系统相对丰度较高的菌群,但在批量和半连续发酵体系中的含量均有所差别,且不同温度下的优势微生物种群也不尽相同。

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温度对玉米秆烘焙及热解的影响

梅艳阳, 张世鹏, 邵水军, 王华, 张安超, 张新民

2022, 43(9): 363-368. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0108

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为了研究生物质烘焙后冷却速度对其表面形貌及后续热解产生的影响,以不同温度（200、230、260、290 ℃）对玉米秆进行烘焙,并用快速冷却（TF）与缓慢冷却（TS）两种方式进行降温处理。采用扫描电镜（SEM）观察烘焙前后样品的表面形貌发现,TS样品表面相比同一烘焙温度下TF样品及原样表面更加疏松;将烘焙前后样品放入热重分析仪中进行热解实验得出,随着烘焙温度的升高,样品的最大失重速率总体呈下降趋势;同一烘焙温度下,TS样品与TF样品的最大失重速率相差不大,290 ℃烘焙温度下TS样品的最大失重速率最慢,为2.94%/℃;在200、230、290 ℃烘焙温度下TS样品的热解活化能均小于TF样品,260 ℃时则相反,且其TS样品的活化能最高,达到100.43 kJ/mol。

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生物质成型机成型模孔内表面摩擦力分形预测

德雪红, 杨洋, 金敏, 李南丁, 郭文斌, 李震

2022, 43(9): 369-375. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0067

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选择2种模孔材料,利用粗糙仪测出其表面形貌,提取轮廓数据,采用尺码法计算出表面分形参数D和G,再基于经典接触公式和M-B分形接触模型建立成型模孔内表面滑动摩擦力分形预测模型并进行模拟,最后利用摩擦磨损试验台进行验证。结果表明：当环模模孔内表面的粗糙度R_a值3.428 μm时（45钢）,D值为1.373,G值为1.55×10_-6 m;而当其R_a值为4.002 μm时（40Cr）,D值为1.359,G值为0.82×10_-6 m;摩擦力随真实接触面积的增加呈增大趋势,单位摩擦力随真实接触面积的增加呈减小趋势;在A_r<A_rc时,摩擦力增大速度较快,单位摩擦力减小速度较快;在A_r>A_rc时,摩擦力增幅较平缓,单位摩擦力降幅较平缓。经实验验证,摩擦力模拟结果比试验结果略高,且随真实接触面积的增大,摩擦力的模拟值正逐渐接近实验值,模型预测较准确。

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焙烧温度对球状Ni-Al纳米催化剂结构及生物质催化热解的影响研究

王士铎, 张晓东, 杨双霞, 冯洪庆, 周于翔, 王迪

2022, 43(9): 376-381. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1365

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采用水热法制备三维Ni-Al纳米结构催化剂,并利用多种表征手段和稻壳催化热解实验研究焙烧温度（500~800 ℃）对催化剂的整体结构及催化性能的影响。结果表明：催化剂为球状结构,活性位点分布均匀,焙烧温度对材料结构有显著影响,800 ℃焙烧条件下球状结构有向内塌陷的趋势。相较于无催化条件下的稻壳热解产物,催化热解后焦油产率明显减小,产气量大幅提高。500 ℃焙烧制备的Ni-Al催化剂作用条件下,稻壳热解气体产物中H₂/CO最大可达2.66,600 ℃焙烧条件下可获得最大合成气产量737 mL/g,而700 ℃焙烧条件下可获得最低的焦油产率（13.5%）。材料表征发现,反应后的催化剂仍具有稳定的球状结构与活化性能。

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水平轴潮流涡轮池壁效应修正方法分析

郭彬, 王大政, 夏岚, 荆丰梅, 周军伟

2022, 43(9): 382-390. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0572

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通过数值仿真与模型试验的方式分析池壁效应对水平轴潮流涡轮水动力性能的影响。通过总结公开发表文献中池壁效应修正方法,获取不同流域以及来流流速下5种池壁效应的修正结果,并与无限流域下水平轴潮流涡轮的能量转换效率以及阻力系数进行对比,进而获得可准确预估无限流域下水平轴潮流涡轮水动力性能的池壁效应修正方法。结果表明：池壁效应会对潮流涡轮的水动力性能产生较为明显的影响,受限流域下潮流涡轮能量转换效率以及阻力系数高于无限流域下的结果,且池壁效应对潮流涡轮的能量转换效率的影响伴随尖速比的增加呈逐渐增大的趋势。受阻塞因子与尖速比的影响,不同池壁效应修正方法的预估精度不同;其中,Pope-Harper以及Bahaj这2种池壁效应修正结果在不同来流流速、阻塞因子以及尖速比下与无限流域下潮流涡轮的水动力性能吻合良好。

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叶片前缘偏转对H型垂直轴水轮机性能的影响

周东海, 孙晓晶

2022, 43(9): 391-401. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0259

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为提高传统直叶片升力型（H型）垂直轴水轮机的获能效率,提出一种带前缘可偏转叶片的新型垂直轴水轮机,利用计算流体力学（CFD）方法,结合重叠网格和动网格技术对这种新型垂直轴水轮机叶轮的水动力性能进行系统的数值模拟计算,分析不同叶尖速比下带前缘偏转叶片的垂直轴水轮机绕流流场,从而探究前缘偏转角度和偏转长度对这种水轮机动力性能和获能效率的影响规律。结果表明,根据叶片旋转到不同位置时实施前缘偏转可改变来流攻角从而减缓或抑制叶片吸力面的流动分离,有效改善其动态失速特性,进而使H型垂直轴水轮机的水动力性能和获能效率得到明显提升。研究发现,低叶尖速比下这种改善效果最为显著,可拓宽H型垂直轴水轮机高效运行的工作范围。

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基于磁流体发电机的波浪能最大功率追踪策略研究

刘华兵, 张庆贺, 刘艳娇, 彭爱武

2022, 43(9): 402-409. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0122

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为了提高某给定海试样机的波能转换效率,提出一种组合控制策略：采用爬山法确定最优参考电流,模型预测控制算法决定MOSFET开关管的关断跟随最优参考电流。当波高降低时,如果直接采用爬山法确定最优参考电流,扰动方向会判断错误,因此加入平均功率减小阈值的判断。仿真结果表明,改进后的爬山法无论波高上升还是下降都能正确判定扰动方向,能够随波高的任意变化自适应调整Boost电路的等效负载,使磁流体波浪发电机得以输出最大功率。最后,搭建硬件电路,利用直流电压源模拟磁流体波浪发电机,通过实验验证控制策略的有效性。

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振荡水柱波浪能发电装置中负载电路对其性能的影响

伍儒康, 陈毅, 彭泽钦, 薛牧文, 李猛, 吴必军

2022, 43(9): 410-415. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0076

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基于振荡水柱装置空气透平发电机组的结构,建立振荡水柱装置空气透平发电机组的数学模型。通过试验测试和计算机模拟,研究负载电路对振荡水柱装置发电性能的影响。结果表明,惯性系数越大,输出电流的波动性越小。通过改变转动惯量或电阻可降低输出电流的波动性,从而降低输出电流对蓄电池的冲击;然而增加电阻会降低输出功率。此外,结果表明,加入合适的电感既可改善输出电流的波动性,也可提升输出功率。

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南海岛礁海域波浪能资源分析及总量评估

武贺, 方舣洲, 张松, 马勇

2022, 43(9): 416-423. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0060

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基于波浪能的能通量原理,建立代表区段长度的概念,提出针对于海岛海域的波浪能资源蕴藏量评估方法及具体公式。通过第3代波浪谱模型SWAN对南海海域近10年的波浪场进行数值模拟,并利用实测波浪资料进行验证。在此基础上重点刻画该海域波高、周期、能流密度等波浪能资源时空分布特征,利用新方法对南海岛礁海域波浪能资源蕴藏量进行估算。结果表明,以离岸50 km等值线为波浪能量输入线时,南海群岛波浪能理论蕴藏量约为18300 MW。其中,西沙群岛海域约为2600 MW,东沙群岛海域为2120 MW,中沙群岛海域约为6720 MW,南沙群岛海域约为6860 MW。

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基于ERA-Interim再分析数据的南海波浪能资源评估

丁杰, 吴国伟, 杜敏, 侯二虎, 陈家庆, 姜波

2022, 43(9): 424-429. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0159

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利用欧洲中期天气预报中心近37 a（1979年1月—2015年12月）ERA-interim高分辨率（0.125°×0.125°）波浪再分析数据,计算南海海域的波浪能流密度、有效波高、平均周期、有效波时等波浪能参数,分析南海海域的波浪能资源时空分布特征。研究表明：1）南海波浪能资源呈现明显的季节分布特征,冬季资源最丰富,秋季次之,夏季最贫乏;2）波浪能资源丰富区位于吕宋海峡—中南半岛东南海域一线,呈东北—西南走向,大值区为吕宋海峡附近海域,波浪能流密度高达16 kW/m;3）综合考虑能流密度、有效波时间、与大陆最近港口距离和岛礁面积,建议A（112.33°E,16.81°N）岛屿作为开发利用的首选。

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基于海浪再分析数据的波浪能资源分析

王春晓, 于华明, 李松霖, 关皓, 葛晶晶

2022, 43(9): 430-436. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1381

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基于同化了30 a卫星高度计有效波高的全球高分辨率海浪再分析数据,该文详细分析波浪能分布特征,针对海浪的可开发性,提出一种新的波浪能资源选址评估方法,并利用该评估方法对全球和中国近海的波浪能进行区划。主要结论有：波浪能最为丰富处位于西风带海域,约占全球总波浪能的67%;其中,印度洋西风带尤甚,平均能流密度达90 kW/m,西风带近岸海域波浪能可利用程度较高;中国周边海域波浪能资源相对匮乏,但台湾岛东南部、琉球群岛以及东沙群岛附近波浪能资源较为丰富,可利用程度较高,平均能流密度最高约为11 kW/m,该研究可为波浪能发展规划与开发利用提供参考。

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利用地热能的双压有机朗肯循环性能分析

刘雪玲, 牛锦涛, 汪健生, 苏力德, 董丽玮

2022, 43(9): 437-443. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0116

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根据地热利用系统回灌的要求,对热源在系统出口处的温度进行限制,研究了双压有机朗肯循环（DPORC）中的热量分配以及随运行时间的系统性能变化,针对5种不同的有机工质进行了计算分析。研究表明：系统热力学性能的最大值和有机工质流量的最小值在同样的k值（热源提供给高压循环的热量与热源为DPORC提供的热量比）处获得。而采用R600和R245fa系统的净输出功率较大;相比R601,采用R245fa可以将系统的净输出功率提高168.06 kW（5.55%）,热效率和效率分别可提高0.70%和2.86%。相比于单压有机朗肯循环（SPORC）,DPORC可以有效减小系统随运行时间净输出功率降低的幅度。经过40 a的运行,采用R601的系统净输出功率降低幅度最低（428.11 kW, 14.14%）,而采用R600系统的净输出功率降低幅度最大（526.75 kW, 16.55%）。

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基于热平衡原理的地埋管地源热泵系统开发利用潜力评价

张也, 骆祖江, 杜建国, 成磊, 吕雅馨

2022, 43(9): 444-452. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0094

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以淮河生态经济带（江苏段）地埋管地源热泵系统开发利用潜力为研究对象,通过数值模拟的方法,模拟预测地埋管地源热泵系统运行期间地下温度场的变化趋势,确定2种能缓解热堆积问题的地埋管地源热泵系统开发利用方案,并以此为基础评价研究区地埋管地源热泵系统开发利用潜力。结果表明：2种方案下研究区夏季平均制冷潜力分别为7412.35、37863.31 m²/km²;冬季平均供暖潜力分别为16660.87、81316.84 m²/km²。

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风光柴储微电网容量优化配置的运行策略

刘慧文, 王生铁, 刘广忱, 齐咏生, 袁珩迪

2022, 43(9): 453-460. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1395

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设计合理的运行策略是微电网容量优化配置过程中的关键因素之一。以典型独立型风光柴储微电网为研究对象,基于分布式电源的特征,将微电网运行工况划分为7种状态,进而找出设计运行策略的关键问题：当储能（BES）、柴油发电机（DE）的可输出最大功率之和大于净负荷功率时,如何分配净负荷。针对该关键问题提出首选BES分配净负荷、首选DE分配净负荷、DE趋向额定功率分配净负荷3种运行策略。基于解算多目标优化模型的计算结果分析3种运行策略的特点,指出各自的适用场合。

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基于叠加频率的直流微电网改进下垂控制策略研究

薛阳, 黄薪操, 席东翔, 陈月钒, 丁子龙

2022, 43(9): 461-467. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0248

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提出一种基于叠加频率的直流微电网改进下垂控制策略。首先,通过在变换器输出电压上叠加交流电压,构造交流电压频率和输出电流之间的下垂特性;同时,利用交流电压产生的无功功率调节各变换器输出电压,实现电流的精确分配;然后,通过引入虚拟电阻和电压二次补偿措施,实现母线电压恢复同时提高系统稳定性。该文所提控制策略无需通信网络,有效提高了微电网即插即用性能。最后,通过仿真验证了控制策略的可行性和有效性。

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一种结合双重移相与鲸鱼算法的直流变换器回流功率控制策略

李鑫, 张超, 石帅飞, 朱慧敏

2022, 43(9): 468-477. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0110

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考虑双有源桥（DAB）流变换器在储能应用场景,建立双端口DAB等效数学模型;在不同移相条件下推导回流功率、传递功率与移相角之间的函数关系。根据适应度函数和惩罚函数,提出双重移相与鲸鱼算法结合的控制策略（DPS-WOA）,可抑制回流功率;该策略可获得全移相比范围内恒定传输功率情况下的最小回流功率移向比组合。DPS-WOA工作原理是：通过鲸鱼优化算法（WOA）对双重移相（DPS）控制方法下的DAB回流功率模型进行最小值求解。对比现有的单重移相（SPS）、DPS、三重移相（TPS）传统优化控制方案验证了控制策略具有更好的回流功率优化能力和全移向范围优化能力。

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虚拟同步发电机技术控制的MMC型固态变压器

杨红品, 袁至, 王维庆, 何山

2022, 43(9): 478-487. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0085

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针对在大容量直流负荷和高渗透率分布式电源接入固态变压器低压侧时,高压并网接口易呈惯量低、阻尼特性差的问题,提出一种虚拟同步发电机技术控制的模块化多电平换流器（MMC）型固态变压器。首先,分析虚拟同步发电机原理并推导MMC与虚拟同步发电机的等效数学模型,并将虚拟同步发电机技术融入到输入级的控制中,使并网接口的惯性与阻尼增强,在输出端功率变化时对上级电网呈现出友好的柔性缓冲能力。其次,为提升MMC型固态变压器对上级电网的频率支撑能力,在低压直流环节配置储能装置,通过改变充放电功率主动响应一次调频。然后,通过输入级的无功控制环节,验证其具备一定的调压能力。最后建立仿真模型验证了所提控制策略的有效性与可行性。

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70 MPa Ⅲ型车载储氢气瓶充氢过程的热力学响应特性模拟

宋冠强, 王依芮, 赵贯甲, 尹建国, 马素霞

2022, 43(9): 488-492. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0242

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大容量高压车载储氢气瓶充氢过程的热力学响应特性是氢燃料电池汽车氢气安全充注亟需解决的关键问题。采用CFD模型,对70 MPa Ⅲ型车载储氢气瓶在不同长径比、充氢速率、气瓶初始压力、气源温度条件下充氢过程的热力学响应特性进行模拟。结果表明,在高压下氢气不可视为理想气体;重力对充氢过程的影响不能忽略;容积100 L储氢气瓶的最佳长径比为3.55;气源温度对充氢过程的影响最为显著,其次是气瓶初始压力与充氢速率,与热力学分析获得的结论类似。

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模拟PEM燃料电池环境下质子交换膜损伤研究

杨卫战, 谈金祝, 刘嘉然, 夏威, 王燕康

2022, 43(9): 493-498. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0220

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该文研究在模拟燃料电池环境下的质子交换膜（PEM）材料的损伤情况。选用2种溶液模拟质子交换膜燃料电池（PEMFC）环境,一种是接近燃料电池实际运行环境溶液,称为正规溶液（RS）,另一种则为加速试样老化的加速持久性（ADT）溶液。采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）技术对老化试样表面的化学成分变化进行研究;同时,采用机械拉伸性能试验对老化前后试样进行研究。试验结果表明,在模拟PEMFC环境下,随着老化时间的增加,试样表面分子结构和化学成分发生明显变化,抗拉强度和断裂伸长率降低,试样材料损伤加剧。

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基于ALIF-LSTM多任务学习的综合能源系统短期负荷预测

欧阳静, 杨吕, 尹康, 赵宇航, 潘国兵

2022, 43(9): 499-507. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1383

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综合能源系统中风电、光伏等可再生能源出力具有波动性和间歇性,精准的短期负荷预测有利于平抑可再生能源对系统运行的影响。系统中的多元负荷时间序列为典型的非平稳性信号,难以进行精准地预测。为了从数据层面提高综合能源系统短期负荷预测模型的精度,提出基于自适应局部迭代滤波（ALIF）的历史负荷数据分解方法,将历史负荷序列分解为具有不同频段模态函数的多个分量;针对预测模型训练中长时间序列处理困难及系统中多元负荷间耦合信息挖掘利用的问题,建立基于长短期记忆（LSTM）网络多任务学习的综合能源系统短期负荷预测模型。实验结果显示,与LSTM、ALIF-LSTM单任务学习、随机森林、LGBM方法相比,所提方法能够应对负荷波动剧烈的工况,预测精度较高,满足综合能源系统安全稳定运行控制的要求。

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无源网络接入B2B型MMC-HVDC的Lyapunov控制策略研究

程启明, 傅文倩, 赵淼圳, 谢怡群, 周雅婷

2022, 43(9): 508-514. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1377

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模块化多电平变流器（MMC）用于高压直流输电（HVDC）系统中时,通常采用PI控制方法,但这种策略存在参数选取繁杂、动态性能较差的缺点。为了提高高压直流输电（HVDC）系统的动态性能、简化参数选取,提出背靠背（B2B）型模块化多电平变流器-高压直流输电（MMC-HVDC）系统的Lyapunov控制策略。首先,建立B2B型MMC-HVDC数学模型;然后,设计Lyapunov函数控制策略;其次,在控制部分加入环流抑制、移相载波调制等,以完整地实现系统功能;最后,在Matlab/Simulink平台上验证了Lyapunov控制策略具有参数选择容易、动态性能优良的特点。

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基于典型场景集的智能园区多能源微网多目标配置优化研究

司徒友, 周立德, 陈凤超, 黎鸣, 赵爱林, 曾鸣

2022, 43(9): 515-526. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1235

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构建面向智能园区的多能源微网是实现不同类型物理能源系统耦合,提高可再生能源终端能源消费占比的重要途经。通过制定恰当的多能源微网规划,对于保证多能源微网项目投资收益以及推动多能源微网有序发展具有重要意义。鉴于此,该文以园区级多能源微网为研究对象,在利用隐马尔可夫构建典型场景集以压缩系统历史数据的基础上,构建多能源微网配置多目标优化模型架构,并利用某园区实际负荷数据和分布情况,对比分析不同情景下2种不同配置方案的结果和优劣势,定量阐述了多能源微网在降低系统排放强度和系统投资成本方面的优势。

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太阳能热化学反应器多场耦合及协同优化研究

王沛, 李嘉宝, 周领, 刘德有

2022, 43(9): 527-534. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0952

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以太阳能高温热化学反应器作为研究对象,针对甲烷还原氧化铈分解水制氢的两步法热化学循环过程,建立耦合光学、流动与传热、化学反应动力学及组分输运的多物理场模型,与实验结果对比验证模型精确性;研究各场之间的耦合机制及其对提升太阳能燃料转化效率的影响机理,提出太阳能反应器内的光-热-化学过程之间的协同优化方法。结果表明：甲烷氧化放热与氧化铈还原吸热互相作用使得催化剂温度存在波动;提高催化剂质量,同时辅以适当的光功率与反应物流量,反应物产率可得到进一步提升,太阳能-化学能转化效率最大可达到38.75%。

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