太阳能学报

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刘笑, 杨丽薇, 花家嘉, 高晓清, 贾东于

2023, 44(3): 1-7. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1189

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为了研究晴空模型在中国北方地区的适用性,采用北方地区7个站点的逐分钟太阳总辐射数据以及MERRA-2分析数据,选取Reno方法筛选晴空时段,之后选取11个统计量对7个晴空模型的性能进行评估,并采用主成分分析方法对模型进行排名。结果表明：模型综合排名由高到低依次为MAC2、REST2V5、BIRD、INEICHEN、IQBAL-C、sSOLIS、ESRA。Dong MAC2和REST2V5模型计算晴空条件下的太阳辐射准确率较高,在北方地区的适用性较好。

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不同能源系统的典型气象年生成方法研究

张文豪, 李红莲, 王梦丽, 王安, 杨柳

2023, 44(3): 8-14. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1227

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基于Sandia方法,对北京地区的3种不同能源系统（全空调建筑和2个可再生能源系统）,采用随机森林提取特征重要性的方法替代专家判断,定量地分配权重因子,生成适用于不同能源系统的典型气象年（TMY）,并利用EnergyPlus进行模拟分析。结果显示：该方法可定量地生成适用于不同能源系统的权重因子集,用于生成相应的TMY。根据不同能源系统的特性,对时间段进行划分并提取对应的权重因子集,可进一步提高TMY的代表性。

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基于气象要素修正的逐时总辐射模型研究——以西安地区为例

于瑛, 姚星, 唐艺帆, 杨柳

2023, 44(3): 15-21. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1298

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该文引入逐时气象要素对分解模型进行修正,针对C.P.R模型,提出一种基于日照时数、温度以及相对湿度的多气象要素修正模型。基于西安2015年10月1日—2017年7月31日观测数据,分析3种天气类型下模型修正前、后的计算误差,结果显示多气象要素修正模型的各项误差指标均低于未修正模型,且对于多云天气的修正效果最明显,平均可达2%。基于多气象要素的C.P.R修正模型考虑了气象及辐射观测数据现状,可为其他地区计算水平面逐时总辐射提供方法借鉴。

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太阳能辐射资源计算分析与特性模拟方法

赵明智, 段佩瑶, 常春, 苏海龙, 蒙仲举, 梅傲寒

2023, 44(3): 22-28. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1326

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采用太阳辐射理论计算及TRANSYS气象系统进行辐射资源计算和特性模拟。由每月典型日的辐射量推算出地外、水平面、倾斜面的辐射量以及总、直射辐射的月、年总辐射量;分析不同日照百分率下的总辐射量和直射辐射量;利用TRANSYS模拟地外、水平面、倾斜面的总辐射量和直射辐射量的变化情况。计算分析表明：对于鄂尔多斯达拉特旗地区而言,其年总太阳辐射量达9916 MJ/m²,倾斜面年总太阳辐射量可达7675 MJ/m²。水平面与倾斜面辐射情况大有差异。该文的计算模拟方法也适用于任何地区的太阳能辐射量计算。

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基于主梁腹板构型的大型风力机弯扭耦合叶片结构性能研究

王海生, 缪维跑, 张立, 李春, 李志昊

2023, 44(3): 29-38. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0553

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为研究主梁腹板偏转对弯扭耦合叶片模态、强度及屈曲特性的影响,以NREL 5 MW风力机叶片为研究对象,基于NX二次开发建立叶片CAD模型,采用CFD方法求解叶片气动载荷并映射至有限元模型进行流固耦合分析。结果表明：弯扭结构耦合叶片各阶固有频率低于传统结构叶片,降幅和减载效果与腹板偏转角有关;压力面主梁向前缘偏转时叶片切应力均小于传统叶片,反向偏转时叶片表面等效应力及应变随偏转角增加而增大;叶片叶尖位移随腹板偏转程度增加而增大;压力面主梁向前缘偏转可提升叶片临界屈曲载荷,反向偏转时各叶片临界屈曲载荷均小于传统结构叶片。

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风透镜优化构型对垂直轴风力机气动性能研究

张唯, 叶舟, 李春, 李仙东, 欧华浩

2023, 44(3): 39-45. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0866

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风透镜是一种应用于垂直轴风力机的新型外部辅助装置,为探究风透镜结构对垂直轴风力机气动性能的影响,通过数值模拟的方法,结合贝塞尔曲线对其构型进行优化设计。结果表明：风透镜具有较好的聚风性能,有助于垂直轴风力机气动性能的提升,风透镜结构参数中扩散器半开角对风力机气动性能影响较大,法兰次之。风透镜优化构型后可进一步提升垂直轴风力机的风能利用系数和力矩系数,风能利用系数最高可达参考垂直轴风力机的8.60倍,并使垂直轴风力机在更大叶尖速比工况下仍保持较高运行效率,进一步提升其有效运行工况范围。

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受扰分数阶直驱风电机组混沌运动的H_∞鲁棒控制

杨莉, 丁菊霞, 黄天民, 黄苏丹

2023, 44(3): 46-54. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1024

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针对含有负载扰动的非线性分数阶直驱永磁同步风力发电机组（D-PMSG）存在混沌现象,提出一种抑制混沌运动的新型H_∞鲁棒控制方法。在非线性D-PMSG混沌模型下,验证负载扰动会导致D-PMSG呈现混沌现象。采用Takagi-Sugeno（T-S）模型建立受扰分数阶D-PMSG模糊混沌模型。基于并行分布补偿（PDC）控制理论,提出一种新型模糊状态反馈H_∞鲁棒控制器设计方法。利用分数阶Lyapunov稳定性理论,依据Schur补引理和合同变换,以线性矩阵不等式（LMIs）形式推导出D-PMSG系统Mittag-Leffler稳定的充分条件。Matlab仿真结果表明,该控制器在分数阶阶次变化和外界负载扰动随机变化情况下具有良好的控制性能和较强的鲁棒性。

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中国风能开发利用的风环境区划

朱蓉, 徐红, 龚强, 孙朝阳, 常蕊

2023, 44(3): 55-66. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1197

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基于大气边界层气象和气候学理论分析以及中尺度数值模拟,采用秒级探空气象资料和典型地形激光雷达观测资料,依据风能利用高度内总体风能资源开发潜力,划分出9个风环境区。年平均风能环境指数最高的风环境区是北方通风廊道,其次是东北平原,最低的是青藏高原下游地区。发现在稳定大气条件下,风能利用高度内的平均风速垂直变化呈两层分布形态,下层平均风速随高度的增速比上层大2~5倍。下层风速的垂直变化取决于地表特征,上层则受上游大地形造成的局地环流影响,由此形成不同风环境区风能资源特性的差异。最后给出构建不同地形条件下平均风廓线计算方法的建议。结论可为中国风能资源评估理论拓展与数值模拟、风电场选址和适用复杂地形条件的风电机组设计提供科学支撑。

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考虑桩基础柔性的地震风浪作用下海上风力机结构耦合响应机理研究

柳英洲, 王文华, 李昕, 宋雨果, 李颖

2023, 44(3): 67-76. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1200

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基于FAST海上风力机整体耦合分析理论和桩基线性化理论,建立包含桩基础柔性的海上风力机基础结构的整体耦合运动方程。进而,通过对FAST v8进行二次开发,同时考虑桩基础柔性,建立包括转子机舱组件-风力机塔筒-基础结构的海上风力机在地震、风、浪荷载作用下的结构耦合仿真模型。根据建立的整体耦合数值仿真模型,开展地震、风、浪荷载联合作用下海上风力机动力响应研究,着重探讨桩基础柔性对于海上风力机结构在地震组合工况下的动力特性及耦合响应机理的影响。结果表明,桩基础柔性对于海上风力机结构动力特性有显著影响。与耦合弹簧边界相比,当忽略桩基础柔性时,会低估整体结构二阶频率对于地震作用下塔顶位移响应的影响,并在基底倾覆力矩响应中激发高阶模态,造成海上风力机结构动力响应变化规律的显著差异。因此,在海上风力机结构抗震设计与研究中必须考虑桩基础柔性的影响。

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风电机组叶片结冰的光纤感知及厚度分布估计

李伟, 文飞, 陈光荣, 舒禹, 王昭力, 周志宏

2023, 44(3): 77-83. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1208

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分析光纤感知叶片结冰厚度的检测原理并设计四通道双窗口专用结冰探测器,采用模拟计算并分析不同攻角和水滴粒径下叶片水滴收集率分布,借助风电机组所在空气流场构建风电机组机舱顶部结冰探测器与叶片间运行环境结冰信息的内在关联,进而实现叶片表面结冰厚度检测及分布估计并在风场风电机组进行结冰实测验证,结果表明叶片表面结冰状态呈现前缘结冰最厚且沿叶尖方向逐渐增加的分布特征,探测器检测值与实测值偏差在8%内,可满足风电机组叶片防除冰的工程应用需求。

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风电叶片腹板结构压缩屈曲与后屈曲行为研究

吴鸿晖, 石可重, 徐建中

2023, 44(3): 84-89. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1212

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进一步发展和完善叶片部件尺度的测试方法,开展复合材料腹板结构试样在压缩载荷下的实验与数值分析,从内部揭示腹板结构试样的屈曲过程和失效机理。结果表明,复合材料腹板结构具有典型的屈曲特征,在后屈曲阶段,芯材材料屈服压碎导致的试样局部大变形是试件失去主要承载能力的主要原因,而试件制造过程中产生的材料分布不均匀等因素带来的初始缺陷是造成结构响应非线性和试件屈曲失稳的根本原因。

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基于复杂网络的风速预测新方法

张董极, 肖琴

2023, 44(3): 90-96. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1215

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为了更准确地预测风速,首先利用可见图将风速时间序列映射到有向加权网络中,通过计算邻居时间节点的相似度并结合最短路径的方法确定网络中节点的相似度矩阵。然后在有向加权网络节点相似度分析的基础上结合相邻预测法及线性逼近法进行预测。在预测实验中,通过和其他模型的误差比较证明其适用性和可预测性,说明该方法能更准确地预测风速,可为电力系统的运行提供借鉴作用。

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复合材料风力机叶片铺层参数优化

张志强, 乔印虎, 王帅帅

2023, 44(3): 97-103. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1217

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考虑重力、离心力、气动力作用下的叶片结构性能变化,以5 MW风力机叶片为优化目标,基于经典层合板理论建立风力机叶片优化数学模型,将各层合板界面最大Von_Mises应力作为优化目标,最大叶尖位移作为优化约束,层合板纤维铺设角度作为优化变量,对比分析3种方案下的叶尖位移、最大应力、Tsai_Wu失效因子,确定最佳铺层方案。优化后叶尖位移、最大Von_Mises应力、Tsai_Wu失效因子明显降低,验证优化方法的有效性。

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计及气象可达性的海上风电运维效益仿真方法

陈述, 周露, 李智, 余梅, 李红阳, 郑悦林

2023, 44(3): 104-110. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1219

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为改善海上风电传统经济评价方法的局限性,根据气象条件等因素对海上风电运维的影响,分析计及气象可达性的海上风电运维流程,提出涵盖停机时间、损失电量、风电场可利用率和运维成本等经济评价指标计算方法,建立基于Anylogic平台的海上风电运维效益仿真模型,模拟风电机组、船舶、人员实时状态,统计各项经济评价指标,评估海上风电场运维经济效益。案例结果表明：所建立的效益仿真模型可模拟风电场的运维流程,并较为准确地推算出停机时间、损失电量、风电场可利用率及运维成本等关键指标,反映海上气象条件对风电场经济效应的影响,可为海上风电场的运行维护提供技术参考。

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开关磁阻风力发电机-齿轮传动系统集成设计与分析

刘长钊, 陈祥龙, 罗键

2023, 44(3): 111-119. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1220

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为实现开关磁阻型风电机组轻量化的设计目标、提高设计效率,提出一种开关磁阻风力发电机-齿轮传动系统参数集成设计方法。该方法以开关磁阻风力发电机和齿轮传动系统结构参数为设计变量,以系统质量最小为优化目标。基于有限元法计算开关磁阻发电机磁链与转矩特性矩阵。在此基础上,建立开关磁阻发电机非线性动态仿真模型以计算开关磁阻发电机动态转矩,并应用模拟退火算法优化开关角,获得最大发电机转矩,最后采用下山单纯形优化方法迭代发电机-齿轮系统质量,获得满足设计要求前提下系统质量收敛时的设计变量值。该优化过程优化套优化,可最大程度降低系统质量。上述设计流程通过脚本实现自动化运行以提高设计效率,可实现开关磁阻发电机-齿轮系统轻量化参数集成设计。基于该方法,针对8 MW风电机组进行参数设计,并与现有的相同发电容量永磁型风电机组的质量和发电机转矩性能对比。结果表面：通过该方法设计开关磁阻风力发电机-齿轮传动系统可保证发电机具有良好的转矩性能,同时可有效降低系统质量,且可极大地提升设计效率。

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正十二边形矢量集的永磁同步发电机磁链预测控制

杨淑英, 穆港军, 谢震, 张兴

2023, 44(3): 120-128. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1239

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针对磁链预测问题,基于广义比例积分观测器原理设计磁链观测器,并基于此实现具有误差校正的磁链预测,提升磁链预测精度;针对备选电压矢量较少的问题,构造一种均匀对称分布的正十二边形矢量集,不仅增加可选矢量数量,而且矢量集的正十二边形分布特征有利于特定次开关谐波的消除。基于以上核心算法,最终为风电系统中PMSG设计FCS-MPFC方案,并通过实验验证所提方案具有较强的参数鲁棒性和较高的转矩控制精度。

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基于改进降噪自编码器和多元时序聚类的海上风电功率预测

周海, 刘建锋, 周健, 周勇良, 李美玉, 励晨阳

2023, 44(3): 129-138. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1240

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针对海上数值天气预报（NWP）精度低、气象因素复杂等特点,提出一种基于改进的双向降噪自编码器（BDAE）和多元时序聚类的短期海上风电功率预测方法。首先,利用Toeplitz矩阵逆协方差聚类（TICC）进行风况相似性分类,即根据30、70、100 m海上NWP风速进行多元序列实时分割与聚类;然后,针对不同风况类型分别建立可提取过去、未来双向有效信息的改进BDAE修正模型,以修正轮毂高度风速的预测误差;最后,基于修正后的轮毂高度风速以及其余NWP数据,利用TICC算法划分气象相似类型,并在此基础上建立对应的海上风电功率预测模型。采用国内某海上风电场数据进行实验验证,结果表明所提方法能提高海上风电功率预测精度,具有一定工程实用价值。

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基于混合深度学习模型的风速区间预测研究

马偲征, 王聪, 王小荣, 张宏立

2023, 44(3): 139-146. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1241

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风速的不确定性使风速预测难度加大,从而使风能难以被有效利用,为解决这个问题,基于卷积网络、共享权重长短时记忆网络、注意力机制和高斯过程回归,提出一种混合深度学习模型进行风速区间预测。首先采用卷积与共享权重的长短时记忆两者相融合的网络对风速序列进行特征提取,然后加入注意力机制有侧重地对特征向量加以利用,最后通过高斯过程回归进行区间预测。将该模型应用于2个风速数据集进行测试,从点预测、区间预测2个方面与其他风速预测方法进行对比。实验结果表明,所提预测模型能获得高精度预测结果及合适的预测区间。

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大型下风向柔性叶片参数化建模及两目标优化设计

许波峰, 李振, 朱紫璇, 蔡新, 王同光, 赵振宙

2023, 44(3): 147-154. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1247

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为了应对超大型风力机的发展对叶片带来的挑战,利用叶片多目标设计方法重点研究大型下风向柔性叶片气动与结构参数的优化设计。构建叶片弦长、扭角和挥舞刚度参数模型,以下风向布局的NREL 5 MW风力机叶片为优化对象,基于快速非支配排序遗传算法开展单机年发电量最大和叶根挥舞弯矩最小的两目标下风向叶片优化设计,得到符合预期的Pareto最优解集。取解集中3套具有代表性的最优解进行分析,由于下风向离心力矩可抵消一部分挥舞弯矩,所以叶根挥舞弯矩均有大幅降低,其中A叶片以牺牲0.963%年发电量的代价,使其叶根挥舞弯矩和叶片挥舞刚度分别减小7.951%和27.071%,可实现大型下风向柔性风轮的轻量化优化设计。以选取的3套叶片为基础,分析弦长、扭角、挥舞刚度对优化目标的影响机制,发现叶片挥舞刚度参数对两优化目标的影响最大。

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基于WPT-SVD-KELM的大型风力机叶片表面裂纹识别方法研究

刘钦东, 罗勇水, 张军华, 艾真伟, 程启超, 杨世锡

2023, 44(3): 155-161. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1258

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为准确识别风力机叶片表面裂纹位置和长度,提出基于小波包-奇异值分解-核极限学习机（WPT-SVD-KELM）的裂纹识别方法。搭建风力机某典型叶片裂纹识别平台,开展正常叶片和含裂纹叶片的模态实验和变桨实验,获取不同工况下正常叶片和含裂纹叶片的振动信号。利用频响函数研究裂纹位置对振动信号幅频响应的影响,从而准确识别叶片表面裂纹位置,利用WPT-SVD提取风力机叶片表面裂纹振动信号的时频特征,定义参数k_r表征裂纹长度的变化,并将特征参数导入优化后的KELM,从而识别风力机叶片表面裂纹长度。

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面向风电制氢的超短期组合功率预测

赵宇洋, 赵浩然, 谭建鑫, 张礽恺, 井延伟, 孙鹤旭

2023, 44(3): 162-168. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1266

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为解决因风电随机性带来的“弃风”问题,实现宽功率波动下的高效制氢,提出基于最小二乘支持向量机（LSSVM）的超短期组合预测模型,提高风电功率预测鲁棒性。通过变分模态分解（VMD）预处理将风电功率分解为不同带宽的子模态,以降低随机噪声及模态混叠的影响;引入蜻蜓算法（DA）优化LSSVM,建立超短期组合预测模型,以满足电解槽控制的时间分辨率及精度要求。以河北省某风电制氢示范项目为例,验证该算法对于高波动性数据具备更高的预测精度,为风电制氢系统的优化控制提供依据。

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考虑桩基础柔性的固定式海上风力机调谐质量阻尼器参数优化研究

韩东东, 王文华, 李昕

2023, 44(3): 169-177. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1277

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将被动调谐质量阻尼器（TMD）应用于单桩基础海上风力机,以降低风、浪联合作用下风力机塔筒结构动力响应。利用等效桩长法模拟桩基础柔性,将该方法引入气动-水动-伺服-弹性-振动控制风力机仿真程序FAST-SC,建立能考虑桩基础柔性影响的固定式风力机-TMD耦合数值仿真模型。同时,选取固定式海上风力机支撑结构一阶弯曲模态为主模态,并将TMD简化为单自由度体系,基于拉格朗日方程建立简化的单桩海上风力机-TMD耦合模型。基于该简化模型,采用响应面法分别对刚性桩基础和柔性桩基础条件下的海上风力机的TMD参数进行优化。将优化的TMD参数代入所建立的能考虑桩基础柔性影响的海上风力机-TMD耦合数值模型中,对比不同风、浪作用下TMD对采用不同桩基础边界条件的海上风力机减振效果的差异。通过对比得出：不同桩基础边界使得单桩基础海上风力机结构频率不同,所得的最优TMD设计参数也不相同,优化设计后的TMD对风、浪联合作用下柔性桩基础海上风力机的减振效果明显优于刚性桩基础。

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大偏航角下基于IPC的风力机变速率停机控制研究

周玲, 任永

2023, 44(3): 178-184. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1281

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通过分析机组在触发偏航超限停机过程中,叶片在不同方位角下的受力情况,指出大偏航角下叶片受载不均衡是导致轮毂中心出现极限载荷的根源,并研究桨距角与偏航角方向对不均衡受载的影响,在原始控制策略的基础上,引入基于叶轮方位角的独立变桨控制（IPC）变速率停机策略,减小机组在负向大偏航下的气动不平衡,大大降低了轮毂与偏航轴承中心极限载荷,依据IEC标准,并以某7.0 MW海上风力机为研究对象,通过偏航超限工况载荷计算,对比分析发现,基于叶轮方位角IPC变速率停机策略,可减小不平衡推力引入的倾覆弯矩,达到减小机组载荷的目的,为此特定风况下的降载提供了可靠依据。

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考虑齿轮柔性的风电机组传动系统扭振特性分析

牛帅豪, 许增金, 杨永江, 袁恒超

2023, 44(3): 185-190. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1295

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风电机组传动系统的柔性对机组的动力特性影响较大。本文利用有限单元法,根据多柔体动力学基本理论,构建考虑风电机组齿轮箱、联轴器、发电机等传动系统柔性的分析模型;根据模态分析理论,提出一种基于矢量位移云图筛选扭振频率的方法,获取风电传动系统低频至高频的扭振模态;利用坎贝尔图以及能量比判别系统共振点。结果表明,建立多柔体动力学模型对准确评估风电机组传动系统的动态特性具有重要作用。风电机组传动系统在1.33、39.16和241.30 Hz等不同激励频率载荷作用下,分别在齿轮主轴、发电机转子和二级太阳轮轴等不同位置存在共振模态。该计算结果与工程实际高度吻合,该分析方法可为风电机组传动系统优化设计提供理论依据。

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双模式分解CNN-LSTM集成的短期风速预测模型

毕贵红, 赵鑫, 李璐, 陈仕龙, 陈臣鹏

2023, 44(3): 191-197. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1307

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为提高短期风速的预测精度,提出一种基于双模式分解、双通道卷积神经网络（CNN）和长短期记忆神经网络（LSTM）的组合预测模型以提高预测精度。首先,对经过PAM方法聚类后的风速时间序列利用奇异谱分解（SSD）和变分模态分解（VMD）2种信号分解方法进行分解,获得2类多尺度分量。不同模式的多尺度分量可降低原始风速的复杂度和非平稳性,实现不同模式模态分量规律的互补;其次,将2种分解方法得到的风速子序列合并为一个矩阵,输入到双通道CNN进行波形特征深度提取;最后,采用LSTM建立历史风速时序的时间依赖关系,在时空相关性分析的基础上得到最终风速预测结果。实验结果表明,基于双模式分解-双通道CNN-LSTM的组合预测模型可有效提高风速短期预测的精度。

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基于相变量的风力机叶片宏观拓扑优化设计

刁晓航, 孙鹏文, 马志坤, 赵雄翔, 张兰挺, 龙凯

2023, 44(3): 198-203. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1308

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不同复合纤维布和软夹芯材料的空间布局将产生不同的叶片结构性能和质量,为最大程度发挥材料空间布局的设计潜力,提出基于相变量的叶片宏观拓扑优化方法。基于独立连续映射法,建立以单元伪密度为设计变量、强度为约束、质量最小为目标函数的叶片多相材料拓扑优化数学模型,以修正的满应力设计方法和关系映射反演原则相结合的算法进行求解,通过Abaqus-Python-Matlab联合平台实现优化。以1.5 MW叶片为例,得到复合纤维和软夹芯材料的优化空间布局,基于等代设计法调整不规则区域。结果表明：优化后叶片的强度满足要求且质量明显减小,验证了方法的有效性和可行性。

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基于VMD-SSA-LSSVM的短期风电预测

王维高, 魏云冰, 滕旭东

2023, 44(3): 204-211. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1314

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为解决由于风电预测中出现的波动性和随机性造成风电功率预测精确度不高的问题,提出一种基于变分模态分解（variational mode decomposition,VMD）、Tent混沌映射、随机游走的麻雀搜索优化算法（sparrow search algorithm,SSA）和最小二乘支持向量机（least squares support vector machines,LSSVM）的组合模型。首先应用鲸鱼优化算法（whales optimization algorithm,WOA）对VMD的核心参数（K值和惩罚系数α）进行自动寻优。经过WOA-VMD对原始风电功率时间序列分解过后,引入改进的麻雀搜索算法SSA优化最小二乘支持向量机LSSVM中的学习参数,然后对分解得到的各个子序列建立SSA-LSSVM预测模型;最后叠加各个子序列的预测值并得到最终预测值。经实验仿真对比,该文组合模型较现有单一预测模型和普通组合模型在预测精度上有较大提高。

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基于改进YOLO-v3的风力机叶片表面损伤检测识别

蒋兴群, 刘波, 宋力, 焦晓峰, 冯瑞, 陈永艳

2023, 44(3): 212-217. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1317

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为对风力机叶片损伤状态进行有效检测,提出一种基于改进YOLO-v3算法的风力机叶片表面损伤检测识别技术。根据风力机叶片损伤区域特点,对网络中锚框（anchor）的尺度进行调整优化;在特征提取网络后引入基于注意力机制的挤压与激励网络（squeeze and excitation networks,SENet）结构,使YOLO-v3算法更加关注与目标相关的特征通道,提升网络性能。结果表明,改进后算法的平均精度为84.42%,较原YOLO-v3算法提升了6.14%,检测时间减少了21 ms,改进后的YOLO-v3算法能较好地识别出风力机叶片表面损伤。

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筒形基础对浅层气运移的影响及其对基础稳定性的影响

程章, 何奔, 潘华林, 朱建才, 洪义, 赵俞成

2023, 44(3): 218-224. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1320

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海上风电机组附近的浅层气突涌运移可能会诱发基础的失稳破坏,为了解决该潜在工程问题,通过开展模型试验和数值模拟,研究不同静荷载作用下,软黏土中气体运移路径的演化规律以及其对基础稳定性的影响。研究结果表明：静荷载的形式和基础与注气点的相对位置影响气体运移路径。当基础作用下压荷载时,气体朝靠近基础的方向运移,可能诱发基础失稳;而当作用上拔荷载时,气体朝远离基础的方向运移,从而不会威胁到基础的安全,且基础与注气点的相对位置越近,这种效应越显著。开展扩展有限元和Cohesive黏聚力单元相结合的应力-渗流耦合分析,进一步研究此种效应,以期为海上风电机组基础选址和设计提供参考依据。

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风电机组钢塔架与钢-混凝土组合塔架动力响应对比分析

陈俊岭, 高洁, 赵邦州, 阳荣昌

2023, 44(3): 225-231. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1346

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采用FAST软件对同一风场、2 MW风电机组的纯钢塔架和钢-混凝土组合塔架进行正常运行工况和急停工况的动力响应分析。结果表明：两种工况下,纯钢塔架塔顶位移响应均大于钢混塔架;在正常运行工况下,两类塔架塔顶处加速度响应受3倍、6倍风轮转速对应的频率影响较大,且纯钢塔架受二阶振型影响明显;急停工况下,塔架振动加剧,纯钢塔架相比于钢混塔架更加敏感,两种塔架前后振动方向加速度响应主要受塔架一阶振型影响,而侧向振动方向加速度响应受塔架二阶振型影响明显。

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低风速型风电机组高柔塔筒涡激振动疲劳损伤评估

田德, 邓远卓, 黄斌, 杨洪源, 李新凯, 李鹏

2023, 44(3): 232-238. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0035

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为实现低风速型风电机组高柔塔筒抗疲劳设计,以某140 m柔塔机组为研究对象,采用欧盟标准EN 1991-1-4推荐的有效相关长度法和频谱模型法,开展涡激振动疲劳损伤评估。基于有限元法建模获取结构固有模态属性;由疲劳应力-寿命（S-N）曲线、风速瑞利分布和Miner法则推导塔筒疲劳应力范围和损伤规则;对比分析柔塔与刚塔两类机型临界风速分布和焊缝疲劳损伤分布。结果表明：柔塔更易激发二阶涡激振动,二阶涡激载荷显著增大,其损伤对不同风场条件（年平均风速、风切变）极为敏感;在6.5 m/s设计风速下,45%~85%塔筒高度处疲劳损伤均超过IEC 61400-6塔架与基础设计要求20年损伤限值0.1,存在疲劳破坏风险,须考虑加阻措施或优化结构设计。

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海上风电单柱复合筒型基础沉放过程分析

刘俊峰, 倪道俊, 校建东, 张浦阳

2023, 44(3): 239-243. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0305

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单柱复合筒型基础是中国国内自主研发的新型海上风电基础结构型式,以海上风电单柱复合筒型基础为研究对象,通过现场原型试验的方法,对首批海上风电单柱复合筒型基础的沉放过程进行分析,并提供现场施工监测数据。研究结果表明：单柱复合筒型基础可实现吸力安装下沉,且在调平上具有极强的可控性,可为筒型基础今后的施工及沉放研究提供重要的参考数据。

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基于阻抗法的MMC-HVDC并网系统高频振荡分析及抑制研究

王小丽

2023, 44(3): 244-252. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1688

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针对某海上风电经多模块多电平换流器（MMC）接入电网系统,陆上换流站与电网发生宽频振荡的问题,基于阻抗分析的思想和MMC控制系统结构建立dq坐标下MMC控制系统频域模型。将MMC控制系统模型的d、q耦合部分转换至时域、abc坐标系下进行化简,实现了系统解耦,然后建立MMC控制系统abc坐标下的频域模型,进而结合MMC等效电路的分析建立其等效阻抗模型。通过阻抗分析法对换流器阻抗模型和电网阻抗模型的特性进行分析,验证了振荡发生的机理。最后对抑制宽频振荡的措施进行分析,给出附加带阻滤波器的解决方案,并通过现场案例的振荡现象进行验证。

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高含氮木质废弃物加压气化含氮污染物生成研究

冯宜鹏, 张志萍, 魏国强, 王小波, 黄振, 郑安庆

2023, 44(3): 253-259. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0927

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进行高含氮木质废弃物的加压气化试验,研究反应压强对于气化的影响。结果表明：在高压热重上,高压可抑制挥发分析出,提高700 ℃以上气化反应速度,使气化结束温度从1104降至1076 ℃;在加压气流床装置上,增大压强可明显提高合成气的品质,CO与H₂浓度明显增大,气化碳转化率、产气率与低位热值均有提高;随着压强的增大,高含氮木质废弃物气化产气中HCN与NH₃浓度出现下降趋势,从4606和2405 mg/m³分别降至393和622 mg/m³。

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Ni-Ce-La/HZSM-5催化焦油模化物甲苯重整反应研究

孟竹辉, 刘倩, 钟文琪, 高轲

2023, 44(3): 260-269. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1235

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以甲苯作为生物质气化焦油模型化合物,在小型石英反应管内研究Ni负载量以及加入Ce、La金属改性对Ni/HZSM-5催化甲苯重整反应性能的影响,并结合低温N₂物理吸附BET、X射线衍射（XRD）、表面形貌分析（SEM）、程序升温还原（H₂-TPR）、热重分析（TGA）和X射线光电子能谱分析（XPS）等表征方法考察不同催化剂的性能。结果表明：在反应条件为750 ℃、水碳比（S/C）为2.5时,最佳Ni负载量为6%。将6Ni/HZSM-5催化剂进行改性,加入金属Ce、La可大幅提高催化剂的活性与热稳定性,其中单独加入3%Ce时效果最好;同时添加Ce与La,两者会产生协同作用,其中6Ni-3Ce-1La/HZSM-5催化性能最佳,甲苯转换效率可高达95.48%,积碳率仅为0.41%,且能保持高热稳定性。

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酸介质强化秸秆微波水热炭的理化和吸附性能

牛文娟, 冯雨欣, 李楚仪, 袁加红, 张星, 肖秋芸

2023, 44(3): 270-276. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1312

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以纯水、磷酸、柠檬酸、乙酸和硫酸溶液为水热介质,研究酸介质下秸秆微波水热炭的理化和吸附性能。结果表明,酸介质的加入可降低秸秆水热炭产率,且磷酸介质下的水热炭产率最高,为44.25%~47.24%。酸介质水热炭的C、灰分和固定碳增加,H/C和O/C降低,而其C==O、C==C和芳香C—H键能增强。磷酸介质下水热炭的孔隙发达和碳微球较多,其次是柠檬酸介质。磷酸介质下水热炭的比表面积和总孔体积最高,分别为10.669~15.506 m²/g和0.070~0.116 cm³/g。酸介质水热炭的氨氮吸附量明显增加,磷酸介质水热炭的氨氮吸附量最高,达到5.26 mg/g,水热炭的灰分、固定碳、C含量、N含量、O含量、比表面积、总孔体积和孔径对氨氮吸附具有正向的特征贡献。

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生物炭和乙醇对油菜秸秆沼气发酵特性的影响

刘闻远, 辛娅, 王殿龙, 时号, 李相前

2023, 44(3): 277-283. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1341

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对生物炭和乙醇提高油菜秸秆厌氧发酵沼气产率进行实验研究,探索不同乙醇浓度对中温和高温厌氧发酵沼气产率、木质纤维素降解和微生物菌群结构的影响。结果表明：生物炭和乙醇可促进沼气产率和纤维素降解。随着乙醇浓度的增大,沼气产率先增大后减小,3 g/L乙醇浓度时中温和高温发酵沼气产率最高,分别为219.3和240.5 mL/g。从木质纤维素降解来看,中温发酵组纤维素含量由预处理秸秆的54.00%降至18.69%~25.03%。测序结果显示乙醇浓度为3 g/L的中温发酵沼渣中厚壁菌门和拟杆菌门相对丰度最高,揭示了生物炭和乙醇促进油菜秸秆厌氧发酵产气的机制。

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基于热效率和㶲效率分析的循环流化床生物质气化规律研究

邓志雅, 向夏楠, 彭德用, 王波, 孙驰, 张新宇

2023, 44(3): 284-290. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1359

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基于热效率和㶲效率分析方法,研究循环流化床生物质气化过程中的主要参数（生物质种类、气化温度、水蒸气与碳的比值S/C和当量比ER）对气化系统㶲效率的影响。研究表明：在循环流化床生物质气化的诸多影响因素中,原材料的固定碳含量的变化对气化系统㶲效率影响最大：固定碳含量为8.99%的肉骨粉气化过程系统㶲效率最低为12.52%;固定碳含量为68.68%的晋城无烟煤气化过程系统㶲效率最高为59.95%,同时发现气化系统热效率与㶲效率的差值与所产气体的热值的关系。而其他增大气化参数（气化温度、S/C和ER）会提高㶲效率和热效率,但达到一定程度后将出现峰值,再升高温度将呈降低趋势。

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基于变分模式分解和向量自回归模型的波浪发电系统输出功率预测

罗琦, 杨俊华, 黄逸, 梁昊晖, 王超凡

2023, 44(3): 291-297. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1210

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为准确预测直驱式波浪发电系统的输出功率,提出基于变分模式分解和向量自回归模型预测方案。通过分析原始时间序列的相关性选择预测特征时间,应用变分模式分解方法将所选特征时间序列分解为不同子序列,经过单位根检验及差分运算,建立每个子序列的向量自回归模型,求和重构子序列模型预测结果获得所选特征的预测初值。建立了直驱式波浪发电系统的波能转换模型,仿真结果表明：所提方案模型具备合理性与可行性,模型预测结果稳定,预测精度高,预测趋势准确。

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振荡水柱式波浪能供电浮标水动力学性能研究

周逸伦, 张亚群, 盛松伟, 王坤林

2023, 44(3): 298-303. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1365

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提出一种振荡水柱式锥形中心管波浪能供电浮标。首先,介绍浮标的结构及工作原理,其次,设计3种模型方案。建立浮标在入射波下受迫运动的数学模型,进行数值模拟计算,获得浮标在设计工况下的附加质量、阻尼系数、波浪激励力、运动响应等水动力学参数。最后,通过物理模型试验,获得各设计方案在不同周期下的俘获宽度比,并与数值计算获得的俘获宽度比进行对比分析。结果显示：不同设计方案的浮标适应不同的水深条件,设计方案中模型1的俘获宽度比最大数值为47.8%。

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渗流作用下的中深层地埋管换热器传热分析

王昌龙, 王鑫, 鲁进利, 王栋, 张朋远, 孙彦红

2023, 44(3): 304-310. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1243

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考虑地下水渗流的影响,基于移动线热源模型提出一种中深层地埋管换热器半解析模型。基于Fluent软件建立数值模型,并对已知进口流体温度和已知总热输入功率两种边界条件下的数值模型、半解析模型和忽略渗流的半解析模型进行对比。结果发现,两种边界条件下的半解析模型在前期均具有较大误差,而在中后期均与数值模型吻合得较好,其精度高于忽略渗流的半解析模型,尤其是在地下水渗流速度较大的时候。结果表明所提出的半解析模型可用于分析渗流作用下的中深层地埋管传热。

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废弃井地热能开发工艺与数值模拟研究进展

刘邹炜, 杨明合, 黄琳, 廖开瑞, 张俊

2023, 44(3): 311-318. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1285

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利用废弃井开发地热能是当前国际研究热点之一,但目前中国对相关研究少有论及。针对这一问题,通过系统调研国内外废弃井地热能开发工艺与数值模拟研究现状,将现有开发工艺归为开环（EGS、“灌-采”取热）和闭环（换热器、“U型井”取热）取热两类并对其进行阐述。目前废弃井取热数值模拟主要研究对象为闭环取热工艺,同轴换热器和U型井取热均已有较完整的数学模型可供参考,但各模型相关结论还需结合更多现场试验进一步验证。分析现有研究成果与问题,认为数值模拟和试验结合、生产工艺开发与优化、配套装备与设施研发、人工智能筛选目标废弃井等将是以后的重要发展方向。

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新型板式相变单元蓄热特性的理论及实验研究

方桂花, 吕程, 刘颖杰, 谭心

2023, 44(3): 319-325. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1129

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在太阳能储能装置中,保持相变储能单元组配灵活性不受影响的同时,为了增强板式相变单元的蓄热性能,对普通的矩形板式单元进行结构优化,设计了新型的梯形体单元,并利用理论分析得到了最优梯形体结构的理论解。将理论分析结果进行实验验证,研究表明：设计出的新型梯形体板式单元不仅能充分利用相变材料本身的熔化特性提升储能装置的蓄热性能,还能提高空间利用率。在研究范围内,换热流体流速的增大和温度的增加可有效地提高单元的换热效率,其中,流速为0.12 m/s时最优梯形体单元比之矩形单元的蓄热性能提升最明显。

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电池储能系统辅助电网调频控制策略研究

李建林, 屈树慷, 马速良, 曾伟, 熊俊杰

2023, 44(3): 326-335. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1297

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伴随中国新能源迅猛发展所导致电网频率波动等问题,电池储能广泛应用于辅助传统机组参与调频服务。该文首先梳理中国现有储能相关政策及相关文献,总结储能辅助调频市场环境演变规律,然后,重点分析传统机组调频及电池储能系统参与一次调频的原理过程,详细比对虚拟下垂控制与虚拟惯性控制策略的差异性特点;电池储能系统参与二次调频进行深度剖析,并对阶段功率分配作出详尽分析,同时提出考虑多约束条件的控制策略模型,为储能电站参与调频出力提供有效参考依据。最后,针对储能系统的未来发展提出建设性意见,并对下一步的研究方向做出展望。

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闭式布雷顿循环热泵储电系统的㶲分析

吴智泉, 王际辉, 白宁

2023, 44(3): 336-343. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1393

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该文针对一种基于闭式布雷顿循环的热泵储电系统,分析主要设备的㶲损失与㶲效率。对于压缩机和透平,发电系统中的压缩机由于工作温度区间跨越了环境温度,具有最高的㶲损失;对于换热器,工作在环境温度附近的低温换热器㶲效率最低（不考虑水冷换热器）,而㶲损失最大的为水冷换热器。计算得到本系统的㶲效率为59.27%。提高压缩机和透平的效率可提升系统㶲效率,且发电系统中的设备效率对系统㶲效率的影响更显著;此外,降低冷却水的温度或有效利用冷却水的热量均可以提高系统的㶲效率。

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风光互补与电解水制氢系统负荷的协调稳定运行

陈梦萍, 任建兴, 李芳芹

2023, 44(3): 344-350. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1006

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电解水制氢作为一种新型储能手段,可作为调整风光能源输出电力的绿色手段。该文以风力发电、光伏发电、电解制氢与燃料电池为研究对象,通过对风光互补发电系统与电解水制氢系统的输出输入功率进行建模仿真,协调优化控制风光电、电解槽、燃料电池以及系统负载的负荷变化要求,改善了风光发电电解水制氢系统与系统负荷之间的负荷不平衡问题,为风光互补可再生能源系统的稳定运行提供了理论依据。

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考虑调峰附加成本的新能源送出型电网电价动态优化模型

韩玉辉, 赵雪楠, 尹洪全, 石永富, 李昱材

2023, 44(3): 351-359. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1211

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针对现货市场交易机制下新能源送出型电网风电不确定性对电网调峰附加成本影响,提出考虑调峰附加成本的电网电价动态优化模型,为火电、储能和电热联合需求响应等调峰资源参与电网调峰提供灵活的电价信号,保障现货交易市场出清价格的准确性,同时提高各电力主体对新能源的消纳能力和系统碳减排能力。首先,以新能源送出型电网为基础,研究考虑风电不确定性的电网调峰需求量化方法,并建立火电、储能和电热联合需求响应等调峰资源的调峰附加成本模型;其次,研究现货市场中各电力主体的竞价策略,考虑调峰附加成本交易机制,建立以最小化运行成本为目标的现货市场出清模型,并采用合作博弈算法对模型进行求解,计算新能源送出型电网各主体出清价格;最后,以东北某新能源送出型电网实际运行数据为例进行仿真验证,结果表明所提出的考虑调峰附加成本的电网价格动态优化模型能有效提升电网对新能源的消纳能力,保障电力现货市场的高效稳定运行。

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太阳能-地热能复合利用的溶液除湿空调系统研究

彭冬根, 李寅蒂, 张振涛

2023, 44(3): 360-367. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1270

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针对传统空调系统采用温湿度联合处理的方式而导致的舒适性差、能源消耗大等问题,以南昌市某建筑为研究对象,利用TRNSYS仿真软件建立太阳能-地热能复合利用的溶液除湿空调系统数学模型,并分析集热器面积及埋管数量对系统性能的影响,在此基础上选取合适的参数对系统全年运行工况进行模拟。同时针对夏季室外新风含湿量波动较大的问题,提出对新风采取分流处理的解决方式。结果表明：在制冷工况下,室内平均温度为26.1 ℃,相对湿度在50%~65%之间;在供暖工况下,室内平均温度为19.2 ℃,相对湿度大部分处于40%~60%之间,能够很好地控制室内热湿环境。供暖和制冷季节能效比分别为6.2和4.5,全年性能系数为4.7,明显高于传统的空调系统。

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基于清洁发展机制的不确定性机组组合优化方法

李英量, 高兆迪, 王康, 周丽雯, 武晓朦

2023, 44(3): 368-375. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1275

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为了优化机组运行过程中存在的碳排放量高、经济性低等问题,该文提出一种考虑清洁发展机制（CDM）的不确定性机组组合模型,该模型较传统机组组合策略在兼顾低碳性方面考虑得更为全面。同时考虑了大规模风电场与电动汽车两个低碳要素,强化低碳要素与火电机组的联系,促进能源结构的合理化;通过制定碳排放交易机制、CO₂排放成本、碳排放配额等相关约束,减少机组的运行成本,为系统的清洁低碳与经济最优运行提供合理的机组组合方案。以10机组系统为算例进行仿真分析,结果表明,在不确定性的机组组合优化问题中采用所提模型能够显著减少碳排放量,有利于机组的低碳经济化运行。

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新型电力系统环境下的虚拟电厂辅助调峰市场机制及其商业模式设计

高洪超, 王宣元, 邱小燕, 金泰, 席嫣娜

2023, 44(3): 376-385. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1284

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针对新能源波动性和绿电用户随机性带来的交易匹配协同问题,提出适应虚拟电厂聚合灵活资源参与的调峰辅助市场机制及其商业运营模型,实现需求侧灵活、清洁资源优先辅助电力系统安全稳定运行。该机制设计中,将电力系统调峰市场按照传统调峰机组和第三方调峰市场主体划分为两个调峰子市场,在后者中允许虚拟电厂聚合商报量报价,引入绿色用能指数和响应成本系数,根据虚拟电厂代理资源的历史用能情况和资源核定成本修正其申报信息,得到反映绿色用能价值和资源响应成本的第三方市场主体出清序列,并根据提出的传统调峰机组与第三方市场主体的联合出清市场机制,将传统调峰市场的市场出清价格向第三方主体市场传导作为价格指导信号,形成虚拟电厂调峰子市场出清结果,因而构建第三方市场主体与传统调峰机组的市场化竞争,实现资源优化配置。此外,基于电动汽车资源设计了虚拟电厂代理参与调峰市场的多种商业运营模型,提高了需求侧资源的积极性。最后,通过算例说明提出的虚拟电厂辅助调峰市场机制降低了系统调峰成本、增加了新能源消纳、实现了绿色价值认证,验证了所设计的商业模型符合激励相容原理,提升了用户参与意愿、有效响应了新能源波动。

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多用能场景下区域供能系统能量平衡设计——以某山区体育场馆为例

孙畅, 鞠晓磊, 鲁永飞, 张磊, 高伟

2023, 44(3): 386-392. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1368

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为研究适用多用能场景的区域供能系统容量配置,以某山区场馆为测算对象,考虑未来比赛使用和赛后运营,假定比赛、训练、旅游度假等可能存在的用能场景,使用文献调研、数字化模拟等方法,建立区域能源供需体系。测算结果表明：场景平均用电比例为99.1%,使用光电和风电作为供电来源,光伏组件布置在东向、南向坡屋面,屋面光伏组件布置比例为全部屋面水平投影面积的100%,场馆储能装置容量为37952 kWh,有效储能为12651 kWh。

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不平衡电压条件下VSG-SST控制策略

程静, 赵振民, 张陵, 南东亮

2023, 44(3): 393-400. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0137

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当低压配电网电压不平衡时,产生的负序分量将引起传统VSG控制中SST输出级发生电流不平衡和功率振荡现象,为此该文提出基于改进VSG的T型三电平输出级联合控制策略,以提高输出级电能质量。首先,对不平衡电压下VSG电流不平衡及功率振荡进行机理分析;其次,基于VSG控制算法和瞬时功率理论设计新型电流基准发生器,与正负序电流调节器实现级联控制,以此保障SST输出电流平衡及有功/无功功率恒定,实现不同运行工况的可靠切换;最后,对正负序分量分离方法和中点电位平衡算法进行分析研究,并对控制策略进行仿真验证。结果表明,所提联合控制策略有效可行,能保障电压三相不平衡工况下SST输出级并网电流功率质量。

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基于R410A制冷剂的空气源燃气热泵系统制冷特性

胡亚飞, 吕杰, 韩涛, 田佳垚, 宋文吉, 冯自平

2023, 44(3): 401-408. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1340

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该文搭建了使用R410A制冷剂涡旋式压缩机的高能效空气源燃气热泵实验平台。在实验台上进行不同进水温度t_w,in（8.8~18.8 ℃）、发动机转速N_eng（1400~2400 r/min）、环境温度T_amb（24~43 ℃）、进水流量G_w（9.16~18.32 m³/h）影响下的制冷特性研究,得到制冷量（Q_c）、耗气功率（P_gas）、压缩机功率（P_comp）、一次能源利用率（R_PER）、总一次能源利用率（R_PER,all）及性能系数（R_COP）的变化规律。结果表明,R_PER受R_COP与发动机热效率η_eng的双重影响,制冷运行时R_PER、R_PER,all与η_eng分别处于0.935~1.224、1.388~1.720与27.56%~35.25%之间。由不确定度分析可得Q_c、P_gas和R_PER的相对不确定度分别为5.61%、1.00%和5.70%,表明系统测试结果稳定可靠。

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碘三离子后处理对钙钛矿太阳电池的影响研究

李星宇, 董海悦, 夏天, 刘玮婷, 姚迪圣, 龙飞

2023, 44(3): 409-414. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1303

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采用碘三离子（I₃^-）作为提升钙钛矿太阳电池性能的界面修饰材料,对钙钛矿体相及上层空穴传输材料的接触界面进行修饰和改性,钝化光活性层上表面缺陷,以优化光电转换器件的转换效率。由反溶剂法和后处理的形式,制备平面异质结电池,运用该界面钝化策略改善后的器件效率达到18.9%,且电池的稳定性也得到增强,600 h后仅有5%的性能衰减。通过物相和光电性质等表征与测试,系统地研究电池的形貌及性能参数,探究不同浓度的I₃^-对器件性能的影响作用和机理。研究发现,该缺陷钝化策略对钙钛矿膜层进行处理后,能有效改善钙钛矿材料的结晶性,减少其表面陷阱态缺陷,降低钙钛矿与空穴传输层的载流子界面传输势垒,且I₃^-与钙钛矿能形成钝化层,起到隔绝水氧的作用,使其稳定性得到改善。

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三相逆变并网系统的分数阶建模与控制器设计研究

李啸骢, 侯立亮, 罗雪丽, 徐俊华

2023, 44(3): 415-424. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1187

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首先基于分数阶微积分理论分析讨论分抗元件的基本特性,并在Matlab/Simscape平台搭建分抗元件的器件级仿真模块,以实现分数阶逆变系统的器件级仿真;其次建立三相并网逆变器的分数阶高低频数学模型,推导分数阶电流内环的解耦控制结构,并引入分数阶PI^λ控制器建立分数阶光伏并网双闭环控制系统。仿真结果表明：所建分抗元件仿真模块能在所选频率段准确模拟分抗元件外特性,分数阶光伏三相逆变器拥有更好的动静态特性,分数阶双闭环控制效果明显优于整数阶双闭环控制。

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多源异构信息融合光伏组件输出特性动态建模

彭乐乐, 张亚飞, 张玮东, 郑树彬, 钟倩文

2023, 44(3): 425-434. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1199

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针对应用广泛的载体运动发电中的载体运动状态对光伏组件输出特性的影响进行研究。通过构建多源异构信息融合光伏组件输出特性动态模型,实现了光伏组件运动机械参数与输出电参数的统一,获得光伏组件最大输出功率与载体运动状态参数间的耦合关系,并采用SIMPACK构建仿真系统进行实验,证明了方法的正确性,结果显示计算值与测量值最大偏差为0.67 W,最大相对偏差率为3.23%。所提方法可为运动载体下光伏组件最大功率点动态追踪控制方法提供理论依据,有助于实现光伏高效率零碳技术发电。

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复杂遮荫下基于改进GWO的光伏多峰MPPT控制

付文龙, 孟嘉鑫, 张赟宁, 徐潘

2023, 44(3): 435-442. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1226

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光伏阵列在复杂遮荫环境下的P-U曲线呈现多个峰值导致最大功率跟踪（MPPT）算法失效,为此提出双层控制模型,在上层模型中将Levy飞行和多项式变异策略嵌入灰狼算法,构建Levy-变异灰狼优化算法（LPGWO）搜索全局最大功率点;在下层模型中采用扰动观察法对最大功率点进行局部跟踪,进而有效降低复杂遮荫环境下的功率振荡。仿真结果表明,在多峰MPPT控制中,所提模型具有跟踪速度快、收敛精度高、整体功率振荡小等特点,能有效提升复杂遮荫环境下光伏阵列的最大功率跟踪效率和精度。

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应用于光伏并网系统准Z源逆变器的滑模控制策略

田莉, 杨潇洁

2023, 44(3): 443-449. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1242

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针对光伏并网系统可能产生的太阳辐照度变化、系统振荡、抗干扰能力和抗谐波能力不理想等问题,提出电容电压外环采用含有状态变量的积分补偿滑模控制策略以保证Z源电容电压相对稳定,不产生超调和不出现失真;并网电流内环采用改进的切换函数设计滑模控制器,以削弱系统抖振,并网效果得到提高。通过Matlab/Simulink平台建立仿真模型。仿真结果表明,相比PI（比例积分）和PR（比例谐振）控制策略,该方法可增强并网系统的全局鲁棒性,能有效提高系统的动态响应速度和并网电能的质量,且能抑制电网电压的谐波信号。

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基于改进灰狼优化算法的光伏阵列多峰MPPT研究

毛明轩, 许钊, 崔立闯, 朱立尧, 郭珂, 周林

2023, 44(3): 450-456. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1261

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针对局部阴影条件下光伏阵列呈现出的非线性多峰值P-V输出特性,提出一种基于改进灰狼优化算法的最大功率点跟踪（MPPT）控制方法。该算法将传统灰狼优化算法中线性减小的收敛因子改进为按非线性规律变化,以改善算法的动态性能。结果表明：所提出的MPPT方法在局部阴影条件下能有效跟踪到光伏阵列的最大功率点,不仅具有较快的跟踪速度,且跟踪精度达到99.1%。

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农业光伏互补开发与盈利模式研究

魏雯婧, 罗久富, 杨路培, 桑亚博, 罗小林, 隋欣

2023, 44(3): 457-464. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1310

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该文在梳理国内外已有大型光伏电站对组件下作物产量、品质、生长发育、生理代谢影响的基础上,基于光伏产业要素、农业多功能性理论和高新农业技术研发,创新提出3种农业光伏互补开发模式;基于产业经济学微笑曲线理论,从农业生产上、中、下游角度提出农业光伏盈利模式;并开展湖北蕲卓蕲州农业光伏项目案例研究,结果表明采用光伏+农业生产互补开发和中游盈利模式,可实现项目自有资金内部收益率提高1.36%~1.70%。研究成果可为推动农业光伏互补开发,明晰项目盈利模式,实现行业提质增效提供科技支撑。

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基于LADRC和准PR的三相LCL型光伏并网逆变器谐波谐振抑制策略

周雪松, 郭帅朝, 马幼婕, 李月超, 马闯

2023, 44(3): 465-474. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1319

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针对三相LCL型光伏并网逆变器由自身高频段谐振尖峰引起的谐波谐振现象,设计一种基于三阶线性状态观测器的二阶线性自抗扰控制（LADRC）和准PR控制相结合的电流双闭环控制策略,较好地削弱了高频段的谐振尖峰,抑制了光伏系统的谐波谐振现象。通过设计李雅普诺夫函数证明了闭环系统最终会稳定收敛;利用仿真对不同工况下的控制策略深入对比分析,结果表明此双环控制策略具有优越的鲁棒性和实际应用价值。

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光伏离网型SL-qZSI多目标优化排序模型预测控制

吕哲, 罗韡, 潘永久

2023, 44(3): 475-481. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0121

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开关电感型准Z源逆变器能提高光伏发电系统的可靠性和能量转换效率,其有限集模型预测控制（FCS-MPC）存在多个控制变量,权重系数调整困难,提出一种基于多目标优化排序的光伏离网型开关电感型准Z源逆变器模型预测控制策略。首先根据电感电流的预测值来判断下一个控制周期的状态,若为非直通状态时,分别计算负载电流和电容电压的代价函数,并将其按照从小到大的顺序进行排序,再将这两个排序值进行相加得到排序和,最小的排序和所对应的开关状态将被应用到逆变器的下一周期的开关状态,有效消除了传统FCS-MPC策略的权重系数。仿真分析和实验结果表明,所提控制策略具有良好的稳态特性和动态特性。

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外保温复合墙体热惰性指标修正研究

朱新荣, 梁嘉, 邱杨, 杨柳, 刘加平

2023, 44(3): 482-488. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1058

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蓄热是建筑被动式太阳利用和夏季防热设计的关键技术,准确的评价方法和指标是蓄热设计和利用的基础。在外保温墙体中保温层对墙体蓄热性能有显著影响,该文通过实验和软件模拟的方法考察外保温墙体的蓄热特性与合理的蓄热性能评价指标。通过现场测试,获得了3个不同朝向的外墙表面及内部温度变化衰减规律：由于保温层的隔热作用,外墙结构层内外表面承受的温度波动较小,结构层本身的蓄热作用被大幅度削弱。借助Kvalue软件,对单一材料墙体和外保温复合墙体的热惰性指标与总衰减度之间的关系进行模拟和计算。结果显示,对于单一材料外墙,热惰性指标和总衰减度之间有良好相关性,而外保温复合墙体,两者相关性较差。针对外保温复合墙体,提出针对多层墙体热惰性指标计算的修正方法,利用该方法获得的热惰性指标与墙体总衰减度的相关系数R²达0.9以上。

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熔盐与亚临界汽/水在管壳换热器中传热特性实验研究

董新宇, 陈梦淑, 刘璐

2023, 44(3): 489-496. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1204

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以太阳盐（Solar Salt）为工质,实验研究熔盐与过热蒸汽/亚临界水在管壳式换热器中的流动传热特性,并开展管侧及壳侧流量、入口温度、压强等参数对熔盐流动传热的敏感性研究。实验结果表明,熔盐入口温度对其传热规律影响较大。根据传热相似原理,获得熔盐与单相汽、水传热的修正关联式,其与实验值的最大偏差分别为±10%,-15%。

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奥氏体不锈钢在四元硝酸盐中的动态腐蚀行为研究

马丽娜, 吴玉庭, 张灿灿, 鹿院卫, 董彦召, 焦新亮

2023, 44(3): 497-503. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1286

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为探究本实验室配制的新型混合低熔点熔融四元硝酸盐与太阳能热发电系统中不锈钢合金的相容性,在搭建的动态腐蚀试验台进行实验条件为565 ℃,流速分别为0.6、1.3和2.0 m/s下1000 h 304不锈钢的动态腐蚀试验。实验结果表明：3种流速下304不锈钢均发生了氧化腐蚀。腐蚀失重随腐蚀时间的增加均呈现增加的趋势,变化规律更接近抛物线关系。同时,流速的变化会对腐蚀产生影响。此外,流速的增加对试片表面生成的腐蚀产物类型无影响。

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漂浮式聚光升膜多效太阳能蒸馏器的性能研究

王璐, 何谦, 欧阳志伟, 郑宏飞

2023, 44(3): 504-508. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1291

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提出一种漂浮在海面上进行淡化产水的聚光升膜多效太阳能蒸馏器,该淡化装置包含一个抛物面聚光镜和多个垂直布置的蒸发-冷凝单元。采用吸水芯作为蒸发器,利用毛细吸力使海水形成上升的液膜,有效减少了加热损失。建立理论模型分析装置内部的传热传质过程。通过实验研究不同运行参数对装置温度、产水量和比能耗的影响。室内稳态研究结果表明,当太阳辐照度为900 W/m²时,蒸馏器内部温差为56.9 ℃,产水率可达到2.64 kg/（m²·h）。在户外平均太阳辐照度为603.7 W/m²的条件下,装置一天产水量为5.3 kg/（m²·d）,日平均比能耗为1591.6 kJ/kg。

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基于场协同原理的微通道熔盐换热器传热强化

刘赟, 张传智, 董月

2023, 44(3): 509-515. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1296

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微通道换热器具有换热性能好、结构紧凑的优点,但在换热器中,熔盐侧的流动换热性能较差。为解决上述问题,运用场协同原理对翼型微通道熔盐换热器进行强化,并对其进行数值分析。该文以60%硝酸钠和40%硝酸钾混合而成的二元硝酸盐（太阳盐,Solar Salt）作为热侧流体,计算出局部场协同角分布,分析入口流速和入口温度对速度场和温度场场协同性的影响,并对局部场协同性较差的位置进行强化。结果表明,入口流量在0.005~0.013 kg/s（Re=2810-7307）范围内,翼型微通道换热器的场协同性随入口流量和入口温度的增加而变差。强化后的换热器其熔盐侧全场场协同角下降约3.73°,综合换热性能（PEC）提升2.25%。

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太阳能热发电熔盐槽式集热回路流量分配特性研究

陈泽泓, 糜又晚, 杜广瀚, 徐灿君, 刘桂秀, 李根

2023, 44(3): 516-524. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1305

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在太阳能热发电站中,抛物面槽式集热系统多回路的流量分配特性对集热工质出口温度和电站运行性能具有重要影响。传统U型集热回路采用调节阀可实现各回路流量的平衡分配,但对系统的控制水平要求较高,且建设成本较大。该文以熔盐槽式集热系统为研究对象,提出采用Z型布置结合母管变径的新型集热回路,以实现多回路流量自平衡;通过开展流量分配的理论设计计算,以及基于Apros软件搭建的集热系统动态仿真模型,研究太阳直接法向辐射DNI、入口质量流量变化以及云遮扰动工况下,Z型集热回路的流量分配、出口温度和回路压降的稳态和动态变化规律。研究结果表明,槽式集热回路Z型布置结合母管变径的方式在稳态和瞬态工况下都具有较好的流量自平衡特性。

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管壳式太阳能相变储热器传热特性的数值研究

韩涛, 马彦花, 方嘉宾, 闫皓冰, 魏进家, 董思远

2023, 44(3): 525-532. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1322

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通过焓-孔隙法建立数值模型,研究石蜡RT50在管壳式太阳能储热器的传热特性,并分析储热器安装形式、不同管径和管外肋片结构对相变储热过程的影响规律。结果表明,立式储热器在管径较大时（相变材料区域厚度较薄时）熔化速度比卧式储热器快;而在管径较小时（相变材料区域较厚时）熔化速度比卧式储热器慢。卧式储热器相变材料熔化过程的初始时间段和末尾时间段热传导占主导地位,而中间时间段自然对流换热占主导地位,且熔化速度主要由自然对流换热决定。此外,管外侧安装肋片能够显著提高传热系数,缩短熔化时间。相较于无肋片管道,卧式储热器采用环肋管道可缩短熔化时长31.6%;采用直肋管道可缩短熔化时长42.1%。直肋比环肋具有更好的传热效果,主要原因为直肋能够强化熔化过程中的自然对流。

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利用条缝射流强化无盖板型太阳能集热器性能

金健, 胡建军, 胡桂, 杜胜华

2023, 44(3): 533-540. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0325

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为提升无盖板型太阳能空气集热器热性能,设计一种条缝射流型太阳能空气集热器,并利用数值模拟和实验验证对其热性能进行分析。集热器内部流动及换热特性的模拟结果表明,利用圆孔和挡片形成的条缝射流能对集热板形成有效覆盖,进而提高进气与集热板的对流换热。射流条缝存在最优结构参数,当圆孔直径为25 mm时,条缝宽度在3 mm处接近最优;集热效率则随挡片直径的增大而增大,是由于射流贴附效应在变强。实验结果表明,条缝射流型集热器的全天热效率稳定且高效。当处理气量为39 m³/h时,该集热器全天热效率稳定在约48%,优于传统的无盖板渗透型太阳能集热器。

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