太阳能学报

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丁策, 刘向东, 张程宾, 陈永平

2023, 44(6): 1-7. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0079

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针对海洋温差能发电系统设计了发电功率为3 kW的向心透平,并使用CFD技术对设计的透平进行仿真研究和变工况分析,最后分析了动静叶径向间隙以及转子叶片数量对向心透平性能的影响。结果表明：设计的透平性能良好,等熵效率为84.96%;随着转速升高,透平的效率先增大后减少;透平的最佳转速也会随入口压力的增大而增加。入口压力升高会增加透平的输出功;随着转速的增大,流量逐渐减小。合理选择喷嘴与动叶轮之间的径向间隙,可使喷嘴出口处工质流动更加均匀;另外,将透平的转子叶片数量增加到8个,可提高透平性能。

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基于参考模型补偿的波浪发电功率优化控制

林汇金, 杨俊华, 黄逸, 邱孟, 谢子森, 黄纬邦

2023, 44(6): 8-14. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0107

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为提高不规则海况下直驱式波浪发电系统的功率捕获能力,利用流体仿真软件获取等效辐射阻尼力系数,建立波浪发电装置对应的非线性水动力模型,通过能量函数极值构造最优功率捕获下的反电磁力,基于磁场定向控制策略跟踪控制最优电磁力;针对实际模型失匹引起的状态误差和功率损失问题,设计自适应补偿控制律修正实际模型与理想模型间的偏差,补偿功率损耗。仿真结果表明：在同样波浪激励下,所提控制策略响应速度快,鲁棒性强,最高可提升系统约50%的输出功率并能补偿15%的功率损耗。

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基于改进延迟分离涡方法的潮流能水轮机纵摇运动水动力分析

纪仁玮, 孙科, 张玉全, 赵梦晌, 朱仁庆

2023, 44(6): 15-23. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0132

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为探究强迫纵摇运动对浮式潮流能水轮机水动力性能的影响,该文基于改进延迟分离涡模型（IDDES）与滑移网格技术相结合的方法,建立了浮式潮流能水轮机旋转和纵摇耦合运动的CFD数值模型。首先选取潮流能水轮机的水槽试验结果来验证所建立的数值模型的计算精度,其次在不同纵摇频率和纵摇幅值下,对浮式潮流能水轮机开展三维非定常模拟。研究结果表明：1）水轮机水动力系数（能量利用率系数和轴向载荷系数）的整体波动频率为纵摇频率的两倍,同时伴随着频率为叶轮转频的高频脉动;2）随着纵摇频率的增加,水轮机平均水动力系数略有增加,而随着纵摇幅值的增加,其平均水动力系数略有减小,但均小于无纵摇工况下的平均水动力系数;3）在纵摇最大振幅位置处,水轮机各叶片迎流面承受不同程度的水压载荷。纵摇运动对平衡位置和最大振幅位置处的尾迹均有影响,且尾迹出现较为明显的低速区摆动现象。

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波浪能发电装置中电磁换能器的设计与测试

张宇翔, 陈仁文, 王立平, 周红标, 沈骞

2023, 44(6): 24-29. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0196

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针对多浮体波浪能发电装置,提出一种将Halbach永磁阵列与无铁芯结构相结合的电磁换能器结构,使波浪能可直接转换为电能。随后提出一种针对该电磁换能器的改进等效磁路模型,根据电磁换能器的最大阻尼系数对电磁换能器进行结构优化。将改进等效磁路模型的计算结果与通过仿真软件得到的结果进行对比,验证等效磁路模型的有效性。对处于实验室条件下的电磁换能器进行结构优化后,制作电磁换能器的样机,并搭建试验测试平台,对样机进行性能测试。试验结果表明：样机的绕组电压能达到理论值的为75%,Halbach永磁结构换能器样机在振幅20 mm、频率6 Hz的条件下,不同位置的两个绕组的电压峰值分别为32.33和27.98 V,电压有效值分别为15.00和16.50 V,其能量采集功率为49.72 W。

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三边型兆瓦级波浪能装置锚泊系统动力特性分析

黄正, 聂铭, 李铭钧, 段新辉, 刘小璐, 罗啸宇

2023, 44(6): 30-38. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0199

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采用ANSYS-AQWA软件建立三边型兆瓦级波浪能装置及其锚泊系统分析模型,计算正常完整状态和锚泊线断裂1根状态下装置和锚链的动力特性,分析聚酯缆绳的刚度、环境入射角及平台锚链的出链长度对锚泊系统的最小安全系数的影响。结果表明：锚泊系统的最大张力受聚酯缆绳动态刚度的影响显著;当采用锚泊线初始构成方案时,对于部分环境入射角,锚泊系统的最小安全系数不满足规范要求,但通过调整平台锚链的出链长度,使得在正常完整状态和有1根锚泊线断裂状态下均满足相应规范要求。最后,根据计算分析对工程上的布置设计提出建议,从而在保证锚泊系统可靠性的同时提高整体工程的经济性。

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波浪能发电装置现场测试中波浪输入能量计算方法研究及对比分析

夏海南, 王项南, 李强, 常皓, 赵智坤

2023, 44(6): 39-44. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0244

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在波浪能发电装置功率特性现场测试工作中,波浪输入能量的计算是评估波浪能发电装置性能的重要依据之一。在分析国内外波能流计算方法的基础上,研究国际电工委员会和欧洲海洋能中心提出的波能流计算方法,并应用波浪能发电装置现场测试数据,对两种波能流计算方法进行对比分析。结果表明：国际电工委员会所提方法计算的波能流数值大于欧洲海洋能中心所提方法,且约有52.1%的数据差异在20%~30%之间,但二者之间具有较强的线性正相关关系。国际电工委员会所提方法计算的波浪能发电装置整机转换效率数值小于欧洲海洋能中心所提方法,且从理论上分析了转换效率的差异性与波能流的差异性相同的原因。研究成果为波浪能发电装置现场测试工作中波浪输入能量的计算提供参考。

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基于熵产理论的三维涡激振动低速水流能俘能分析

李俊, 罗竹梅, 郭涛, 杨涛, 高所明

2023, 44(6): 45-52. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0932

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以刚性圆柱作为俘能结构,通过强流固耦合数值方法模拟俘能结构在低速水流环境下的三维涡激振动,对共振约化速度（Ur=2~12）范围内进行俘能结构的俘能大小及俘能效率分析。为获得俘能结构三维尾流对俘能大小的影响,采用熵产理论并结合尾流特性以捕捉俘能结构尾涡的能量损失来源及分布,获得不同振动分支下俘能大小与尾流耗散间的关系。结果表明,基于熵产理论的能量损失分析可准确捕捉到俘能结构的能量耗散趋势。黏性熵产主要发生在圆柱表面,湍流熵发生在耗散率较大的尾流区。随着约化速度的增加,上端分支内,当Ur=6时俘能结构的俘能效率最大达到30.5%,俘能结构俘获的水动能增加,圆柱表面的黏性熵损耗和圆柱周围及尾流区湍流熵产损失也增加,俘能结构表面的黏性熵产损失和尾流区湍流熵产损失增大成为俘能效率下降的主要原因。

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地下粮仓不同内衬材料储粮实验与模拟研究

陈雁, 仇冠鹏, 张瑞元, 张文珍, 崔伟华, 毕文峰

2023, 44(6): 53-60. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0269

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针对地下粮仓中不同内衬防水材料,设计地下粮仓模拟实验系统,在3个连续变化的储粮外界环境条件下进行实验,研究在准静态非人工干预条件下不同内衬防水材料对地下仓内壁处结露的影响。实验结果表明：外界环境的影响在地下粮仓埋深较浅时较为显著,尤其是仓内上层,使粮堆温度呈“冷皮热芯”的分布特点;内衬为聚丙烯板时,仓温高于内衬不锈钢板,仓内空气最大温差为1.5 ℃,相对湿度小于内衬不锈钢板,最大差值为7.1%,平均粮温相差0.5 ℃。实验数据表明聚丙烯更适合作为地下仓内衬防水材料。基于实验数据,将不锈钢、聚乙烯、聚丙烯、玻璃钢、沥青涂层及空白实验组（无内衬材料混凝土仓壁）进行对比模拟研究,结果表明仓内降温效果为：不锈钢板>沥青>聚乙烯板>玻璃钢>聚丙烯板,但考虑到结露问题,内衬聚丙烯板温度变化更平稳,仓壁处不易发生结露。

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电流特征对锂离子电池性能的影响研究

申永鹏, 孙嵩楠, 孙建彬, 孙冬, 唐耀华, 王延峰

2023, 44(6): 61-70. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0078

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以镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、磷酸铁锂和钛酸锂4种锂离子动力电池为研究对象,建立测试实验平台,并设计实验流程,综合电流曲线、放电倍率和环境温度等工况因素,研究运行工况对4种锂离子动力电池可用能量、温升的影响。实验结果表明：温度是影响电池可用能量的主要因素之一,钛酸锂电池可用能量受温度影响最小,磷酸铁锂电池受温度影响最大;放电倍率是影响电池可用能量的另一个关键因素,随着放电倍率的增加,4种电池可用能量均出现不同程度的衰减;阶跃电流或阶跃放电频率对镍钴锰酸锂电池和磷酸铁锂电池的可用能量具有较大影响。

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固体蓄热器放热过程模拟分析与实验研究

胡自锋, 段振云, 徐耀祖, 商向东, 徐景久

2023, 44(6): 71-77. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0083

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为得到工程实际应用中固体蓄热器放热过程的流场分布及流动特性,以工程常用固体蓄热器的放热过程为研究对象,设计一种物理参数非定值的热流固耦合分析方法,通过数值模拟及其实验验证,得到该数值模拟方法的可行性。利用建立的数值模拟方法对固体蓄热器放热过程传热特性进行研究,结果表明：放热过程第1阶段,在低风速循环作用下,放热功率增幅较小,随着蓄热体温度升高,Nu数逐渐降低,并逐渐趋近于等表面热流密度的Nu数,表现出入口段的对流换热特性;放热过程第2阶段,由于风速提升,放热功率显著提高,随着第2阶段的进行,Nu数逐渐增加,对流换热特性较高。

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翅片强化相变储能蓄热性能的数值研究

于静梅, 刘耀鸿, 张凤忠, 张世轩

2023, 44(6): 78-83. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0123

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为改善立方体储能单元的相变储能蓄热效果,运用数值方法研究插入翅片后相变材料熔化效果,并对比增加翅片数量与改变翅片插入位置后对PCM熔化速率的影响。研究结果表明：插入翅片后PCM熔化速率显著提升,相比于三翅片结构,单翅片与双翅片储能单元随L_R,f的增加性能提升良好,双翅片0.75L_R,f立方体储能单元性能较好,其PCM完全熔化时间相比于无翅片结构提升193%;翅片向下偏移有助于缩短PCM完全熔化时间,其中0.54H_R,f结构对PCM熔化具有更好的改善作用。

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含建筑相变储能系统的微网日前调度

李孝均, 朱兰, 翁秀良

2023, 44(6): 84-90. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0166

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为了实现供暖领域煤改电,解决风电消纳问题,引入建筑相变储能系统,提高微网日前调度灵活性与经济性。考虑相变材料变温特性,建立集成于建筑内部的相变储能系统模型,综合考虑室内外扰动量对建筑热平衡的影响,构建以相变储能地板、室内空气以及建筑墙体为主体的建筑精细化热平衡模型。在此基础上,建构以发电成本、购售电成本与弃风成本为总成本,计及建筑热平衡的微网日前调度模型。针对模型中的非线性约束与微分约束,利用分段线性化与差分化,将所提模型转化为混合整数线性规划问题,并通过算例验证所提模型的经济性与有效性。

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一种大规模链式电池储能系统分层式并行均衡器

刘红锐, 张彬, 刘威, 林子恒

2023, 44(6): 91-98. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1305

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针对大规模链式电池储能系统,提出一种分层式并行均衡器。该均衡器采用两层主动均衡：第1层均衡可实现电池系统中所有单体电池同时进行能量均衡,均衡速度快且不受串联单体电池数目的影响;第2层均衡可实现来自不同电池组的多个电池单元的并行均衡充、放电,均衡速度快、效率高。该文对均衡器工作原理和均衡控制策略进行分析,为验证所提均衡方法的有效性,搭建由12个单体锂离子电池串联组成的电池系统实验平台进行均衡实验。理论和实验结果均表明,该均衡拓扑的均衡速度快、均衡效率高、模块化强、易扩展。

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基于XCT的气体扩散层传输特性孔尺度模拟

张恒, 詹志刚, 陈奔, 隋邦杰, 潘牧

2023, 44(6): 99-105. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0096

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为了探究质子交换膜燃料电池气体扩散层中孔隙率对各向异性传输特性的影响,先利用X射线计算机断层扫描（XCT）可视化技术方法对Freudenberg H2315 GDL气体扩散层进行三维微观结构重构,随后利用孔尺度模型分别研究了气体有效扩散率、曲度、有效电导率、有效热导率与孔隙率的关系,利用格子-玻尔兹曼模型研究液态水渗透率在厚度方向和平面内方向与孔隙率的关系,以及液态水饱和度和毛细压强的关系。结果表明：孔隙率对传输特性有显著的影响,Freudenberg H2315 GDL气体扩散层表现出明显的各向同性。

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考虑碳交易机制的风-火协调低碳优化调度

叶浩劼, 谢丽蓉, 邓佳桐, 王智勇, 包洪印

2023, 44(6): 106-112. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1516

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为了控制电力系统碳排放总量、提高风电消纳比例,提出一种风-火-碳捕集与封存（CCS）设备协调优化模型,以系统运行总成本最小作为目标函数。为调动火电机组调峰积极性、促进风电消纳,引入计及调峰主动性的火电机组深度调峰机制。并在系统中加入CCS设备与阶梯式碳交易,进一步提高系统低碳性与经济性。结果表明所提模型能有效促进风电消纳,在减小碳排放量的同时降低系统运行的成本。

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计及前瞻风险的综合能源系统低碳经济调度优化

朱西平, 江强, 钟宇, 姚显億, 刘明航, 罗惠文

2023, 44(6): 113-121. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0081

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针对可再生能源波动性给综合能源系统（IES）稳定运行带来的巨大挑战,提出一种考虑前瞻风险和经济环境效益的IES调度优化方法。以系统运行成本、污染排放最小为目标,通过蒙特卡洛法生成风光及负荷不确定性概率场景,运用负荷损失值分析不确定性因素潜在风险规模,基于条件风险价值理论控制系统运行风险,引入综合需求响应规划降低运营成本,通过模糊决策算法获得最优方案。算例分析表明：该方案在完成低碳经济调度目标下,实现系统可靠运行且兼具灵活性,提升系统经济环境效益。

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综合能源交直流混联外送系统暂态过电压分析与快速估算

衣立东, 摆世彬, 张文朝, 田志浩, 柳顺楠, 刘刚

2023, 44(6): 122-129. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0101

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针对大容量直流和高比例新能源集中接入的交直流送端系统中,由于故障扰动引起的暂态过电压难以快速准确计算导致系统安全稳定运行的问题,提出综合能源交直流混联外送系统暂态过电压分析与快速估算方法。首先,建立风火打捆的送端系统等效模型,考虑储能系统接入后的交直流综合能源的调节特性,对故障后的暂态过电压进行修正。分析故障扰动下风电机组的有功功率和无功功率动态变化特性,给出暂态过电压的计算流程。然后,分析暂态过电压时变参数辨识方法,提出交直流系统暂态过电压快速估计方法。最后,以某地交直流送端系统数据建立仿真模型,仿真结果验证了所提方法在交直流送端系统暂态过电压的计算精度和收敛速度方面具有优越性。

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冷热电储一体化综合能源系统优化研究

汪德成, 李妍, 张群, 王思茗, 许波, 陈振乾

2023, 44(6): 130-136. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0117

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近年来分布式综合能源站作为助力双碳目标实现的一条有效路径得到广泛应用,由于其在负荷端就近利用多种可再生能源,集产能、储能、供能于一体,应进行供需双侧的精准分析和优化调度以保证实际运行的节能效果。该文选取泰州市某园区级综合能源站为研究对象,根据用能建筑的全年负荷预测结果提出系统配置方案,然后基于TRNSYS仿真平台搭建系统模型并对多台机组变频控制策略进行分析,同时采用TRNSYS与GenOpt相结合的方法对冷热电储耦合系统能效影响因素进行研究,调用Hooke-Jeeves算法对水泵和光伏组件主要参数进行同步优化。研究结果表明：在相同初投资情况下,优化后的系统年能耗降低3%,每年可节省运行费用178490元。

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基于多元非线性分布式能源系统的运行预测研究

李博文, 张丽玮, 冯洪庆

2023, 44(6): 137-144. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0189

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将多能流不稳定能耗系统定性为多元非线性问题,通过短期负荷预测可提高非线性能源系统运行的稳定性和输出能源的质量。神经网络设计过程提出对7种能耗关联因素进行数据挖掘,设计时域滚动数据预测方案,神经网络误差仅为0.00143。优化后的神经网络拓扑结构,网络训练过程输入数据与输出数据作回归分析,R=0.99876,回归效果显著,数据可信。研究成果应用于建筑负荷运行策略,通过生物质燃气分布式能源系统,观察数据与预测数据作回归分析,R=0.999723,回归效果显著。

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考虑零碳排放的电-气综合能源系统日前优化调度

李卫东, 张力兵, 齐大伟, 陈佳慧, 王海鑫, 郭子豪

2023, 44(6): 145-151. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0206

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基于碳捕集和电转气（P2G）技术,该文建立考虑零碳排放的电-气综合能源系统日前调度模型。首先,搭建零碳电-气综合能源系统框架,通过在燃煤机组上增设碳捕集装置收集燃煤机组产生的二氧化碳,并将其作为原料通过P2G技术将二氧化碳转换为甲烷,同时针对火电机组出力与产生甲烷量之间的数学关系进行深入研究。然后,以综合运行成本最低为目标建立日前调度模型,同时考虑电-气综合能源系统的零碳目标,将无法收集利用的二氧化碳通过购买碳排放权的方式排放到大气中,进而实现零碳的目标。最后,通过算例验证所提的零碳电-气综合能源系统的合理性,结果表明该文所提模型可实现电-气综合能源系统零碳排放的目标,且与传统电-气综合能源系统相比,减少弃风1320.96 MWh,降低运行成本56.16 万元。

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不同调峰深度下火电机组的环境经济调度优化

喻心, 王德林, 孙超, 牛璟瑶, 谢棚, 郭良杰

2023, 44(6): 152-160. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0258

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在双碳目标背景下,为实现电网调峰以消纳更多新能源以及传统火电的节能减排需求,该文建立配合储能系统及大规模风电并网的不同调峰深度下火电机组环境经济调度模型,分析火电机组的调峰能力以及不同调峰深度下机组的煤耗特性和CO₂排污特性的变化;提出一种不同调峰深度下的惩罚因子,将多目标环境经济调度转化为单目标优化,并给出一种改进的灰狼算法以求解模型。与原始灰狼算法和粒子群算法相比,该文提出的算法具有更好的优化性能。算例结果表明：在RPR和DPR调峰阶段,系统煤耗成本和CO₂排放量随调峰深度增加而减小;在DPRO调峰阶段,CO₂排放量随调峰深度增加而增加。储能系统发挥了削峰填谷的作用,大幅减小弃风,降低了系统运行的总成本。

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一种可应用于新能源发电系统的双绕组高效率高升压DC-DC变换器

叶睿明, 张民, 薛鹏飞, 袁成功, 赵振伟, 赵昌

2023, 44(6): 161-169. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0279

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为解决光伏发电等新能源发电技术输出的直流电压等级较低、不能满足并网电压要求的问题,提出一种可应用于新能源发电系统的双绕组高效率高升压DC-DC变换器。在传统Boost变换器的拓扑中融入开关电容结构与磁耦合升压技术,获得高电压增益,并降低开关管电压应力。拓扑的无源钳位结构有效解决了开关管电压尖峰过高的问题,提高了能量转换效率。详细研究了所提变换器工作原理后,对元件电流、电压应力以及变换器效率进行定量计算。于实验室搭建200 W样机验证所提变换器的可行性,实测变换器最大效率为97.5％。

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基于碳指标的建筑能源优化配置研究

岳嘉和, 陈果, 宋涛, 张钊睿, 张文旭, 葛晖骏

2023, 44(6): 170-177. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1567

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基于终端型冷热电多联产的特性与南京师范大学地理特性,在能流平衡、设备运行等约束条件下建立多能互补系统数学模型。从系统的经济性、环保性以及热力性能等维度构建多能互补系统评价指标体系,将典型日数据、权重系数等数据纳入体系,形成南京师范大学能源优化配置模型。通过模拟分析,可使目标园区日运行的经济性能提升7.24%,环境性能提升14.55%,全年碳排放量可减少3071.1 t,同比能耗降低18.5%。

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分级处理空调送风的地下水源热泵系统性能研究

陈枫, 谈莹莹, 李修真, 王林, 王占伟, 连梦雅

2023, 44(6): 178-185. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0223

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针对传统地下水源热泵空调（CGWHP）系统能耗偏高的缺陷,提出一种新型分级处理空调送风的地下水源热泵（NGWHP）系统,其特点是利用地下水预处理新风后,二级利用地下水承担热泵机组的冷凝热,达到显著降低热泵机组能耗的目的。运用热工学理论建立NGWHP系统稳态仿真数学模型,在VC++环境下编写程序并模拟供冷模式下NGWHP与CGWHP系统的性能,比较分析地下水对两种系统性能的影响,并搭建实验装置进行验证。结果表明：NGWHP系统的能耗显著低于CGWHP系统。地下水供水温度下降或流量增大,两种系统的能耗均呈线性下降趋势。新风比为33%,地下水温从24 ℃降至15 ℃时,NGWHP系统的能耗较CGWHP系统平均低40.56%;地下水流量从1800 kg/h增至2300 kg/h时,NGWHP系统的能耗平均降低42.27%。实验结果与模拟结果吻合较好,二者误差在±13%以内。研究结果可为NGWHP系统的优化设计和运行调控提供理论指导。

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夏热冬冷地区新型高温空气源热泵实验研究

孙健, 吴可欣, 王寅武, 霍成, 戈志华

2023, 44(6): 186-192. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0235

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为满足空气源热泵冬季集中供热的需求,该文采用新型工质将空气源热泵的制热温度提高至90 ℃以上。首先建立高温空气源热泵的数学模型并对该系统进行理论计算,进而搭建高温空气源热泵试验台,分别在环境温度为0、5、10 ℃时对模拟结果进行实验验证,当热水进口温度为80 ℃时,系统实际COP分别较理论结果低5.9%、5.3%和1.7%。该空气源热泵相比现有技术提升制热温度40 ℃以上,因此具有较好的市场应用前景和推广意义。

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利用受激发光特性分析n型太阳电池金属电极性能研究

张胡广, 付明, 汪小红, 吕文中

2023, 44(6): 193-197. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1331

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结合硅太阳电池电致发光（EL）和光致发光（PL）的原理分析,提出利用EL和PL图像来分析太阳电池Ag-Si接触电阻性能的新方法。制备用于n型太阳电池的两组不同体系玻璃粉的正银浆料,经丝网印刷、烧结后制得太阳电池。通过PL检测、EL检测和Ag-Si接触电阻测试,对太阳电池正银电极的欧姆接触性能进行分析,发现Pb-B-Si体系玻璃制备的正银浆料经烧结后形成的电极性能较好。通过对玻璃粉的同步热分析仪（TGA-DSC）分析,发现转变温度T_g较低的玻璃粉制备的电极浆料所形成的电极接触性能较好。

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EL检测PERC电池中间缺陷成因及改善方法的研究

夏中高, 彭平, 景彦姣, 陈磊, 王文静, 周春兰

2023, 44(6): 198-203. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0069

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电致发光（EL）检测是PERC太阳电池生产中常用的缺陷检测方法,其中位于太阳电池中间位置缺陷的降级占EL检测不良降级的50%以上,成为了各大太阳电池制造企业EL检测良率突破99%的主要障碍。为找到缺陷的成因并改善这种问题,进而提升太阳电池的质量降低制造成本,该文对太阳电池EL检测下中间位置出现缺陷的原因进行分析研究。通过QE测试和元素成分分析排除由硅片质量和杂质污染所引起缺陷的可能性,再结合电化学电容-电压方法（ECV）及扫描电镜（SEM）测试,确定PERC电池中间位置缺陷的产生是由于扩散工艺表面杂质浓度过高所导致的。该文针对缺陷成因提出有效的解决方案有助于提升太阳电池的质量及EL检测良率。

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基于Bezier曲线的薄膜太阳电池参数逆最小二乘辨识

朱显辉, 高彬, 师楠, 朱晓强, 钟敬文

2023, 44(6): 204-212. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0142

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针对光伏参数求解繁琐、准确度不高、需要实验测试的弊端,提出一种利用两条二阶Bezier曲线和逆最小二乘法相结合的薄膜太阳电池参数辨识方法。首先,构造过最大功率点且平行于开路电压点和短路电流点连线的平行线,并在该平行线上寻找两条二阶Bezier函数的最佳控制点,进而给出控制位置与薄膜太阳电池填充因子的线性规律,实现对I-V曲线简单、准确地刻画;然后,利用等效变换简化薄膜太阳电池输出特性超越方程,引入5个新的变量将超越方程改造为代数方程,随机选取Bezier曲线上的5个点,通过代数计算和欧几里得范数的（伪）解给出5个变量的值,并基于所得的变量结果,利用逆最小二乘法反向求解出超越方程的5个参数。最后,以5种不同型号薄膜太阳电池为例,对不同条件下的参数和求解时间进行对比和分析,验证该方法具备快速性、准确性和适用性。

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基于改进BES-LSSVM光伏组件积灰预测

高瑜, 康兴国, 周少迪, 冯小静, 王寅清, 孔晓龙

2023, 44(6): 213-219. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0098

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为探究气象因素与光伏组件积灰之间的关系,提出一种基于改进秃鹰算法（IBES）优化的最小二乘支持向量机（LSSVM）的积灰预测模型。该模型以降雨量、风速等气象因素作为输入,对组件面积灰进行预测。通过引入高斯-柯西变异算子对种群最优个体进行变异,择优选取进入下一次迭代,改善原始秃鹰算法收敛速度慢、易陷入局部最优的缺点。将改进算法寻优得到的参数代入模型,仿真后与其他种类算法模型进行对比,结果表明IBES-LSSVM积灰预测模型预测误差更小,拟合效果更好。最后根据累计积灰计算发电损失,结合降雨情况对组件清洗进行指导。

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雾霾对光伏组件输出特性的影响研究

赵明智, 冯绍东, 段佩瑶, 董江硕, 刘鑫, 胡小明

2023, 44(6): 220-226. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0106

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该文通过数学建模研究雾霾相对湿度和质量浓度对辐照度的影响规律,并通过实验验证雾霾的相对湿度和质量浓度对辐照度和光伏组件输出功率的影响规律。实验结果表明：雾的相对湿度（RH）从23%上升至90%,辐照度下降52.17%,光伏组件输出功率下降46.5%,在相对湿度达到65%之后辐照度和功率下降幅度加快;霾质量浓度从18 µg/m³增加至517 µg/m³,RH=30%、50%、60%、75%、80%、90%时辐照度分别下降16.0%、25.0%、40.0%、74.4%、73.1%、68.6%,光伏组件输出功率分别下降21.8%、22.5%、35%、69.9%、70.1%、67.7%;RH从30%增加至90%,霾质量浓度为108、189、312、405、497 µg/m³时辐照度分别下降60.0%、78.8%、800.%、85.1%、85.8%,光伏组件输出功率分别下降47.4%、73.3%、78.1%、82.5%、84.9%,随着RH的增大辐照度和输出功率的降幅在逐渐增大。关于雾的相对湿度和雾霾质量浓度对辐照度的影响进行数值模拟,模拟结果和实验结果基本吻合,模拟和实验误差最小为0.1%,最大为10.7%。

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不同温度条件下晶体硅光伏组件光/电致衰减

朱冰洁, 宋昊, 陈昊旻, 怀朝君, 胡旦, 何一峰

2023, 44(6): 227-233. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0111

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晶体硅光伏组件存在多种光/电衰减机制,为了研究不同衰减条件的影响,该文首先对不同条件的衰减机理进行探讨;然后进行不同类型的衰减试验,并对试验结果进行分析。通过试验发现,所有类型的太阳电池均有光致或电致衰减现象;相较于PERC太阳电池,TOPCon太阳电池的光致及电致衰减速率较慢,同时在光致衰减（LID）试验中稳定周期最长;在LID试验后,所有类型太阳电池均会发生高温光致衰减。分析电致衰减（CID）与高温光致衰减（LeTID）试验衰减数据,发现组件功率衰减与填充因子变化呈正相关。

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基于开关电容的双接地五电平光伏逆变器

王俊澎, 王晓琳, 叶远茂

2023, 44(6): 234-241. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0225

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为同时满足光伏并网系统中逆变器升压和消除漏电流的要求,提出一种基于开关电容的双接地五电平光伏逆变器。所提逆变器拓扑具有自主升压、器件数量少、电容电压自动平衡和可扩展等优点。此外,双接地结构彻底消除了共模电压引起的漏电流,进而降低了电路的电磁干扰和功率损耗,并提高了系统的安全性。针对所提逆变器拓扑,采用一种包含移相载波的混合调制策略,解决了开关电容长时间连续放电的问题,从而减小电容电压纹波,提高输出SPWM电压波形质量。此外,通过与其他五电平逆变拓扑的比较,表明所提逆变器在结构、升压能力和减小电容电压纹波方面的优势。最后,通过实验验证所提逆变器拓扑的可行性及混合调制策略的有效性,结果表明所提逆变器具有较好的静态、动态特性和较高的转换效率。

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基于超级计算的大规模跟踪式光伏发电阵列风压分布研究

李正农, 胡存云, 吴红华, 王士涛, 特日根, 栾雪涛

2023, 44(6): 242-251. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0070

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首先对与跟踪式光伏组件结构相似的单个定日镜进行风洞测压试验和CFD数值模拟,然后将两种方法获得的结果进行对比,验证了该文所采用的CFD数值方法的可靠性。其次建立3种不同长宽比的跟踪式单体光伏组件模型,研究单体光伏组件在0°风向角下长宽比对其平均风压分布的影响。最后建立大规模太阳能跟踪器光伏阵列模型,对5种具有代表性意义的工况（来流风向角：0°、45°、90°、135°、180°）进行模拟研究,得到B类地貌风场条件下光伏组件群代表位置处光伏组件的平均风压系数分布规律。研究结果表明：来流风向角不同,光伏组件群中不同位置的光伏组件风压分布有所区别;45°和135°斜风向角下光伏组件所受平均风压最大,即45°和135°为最不利风向角;光伏组件群四周位置为组件群最不利受力位置。

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石漠化脆弱区光伏阵列生境异质性对植物叶功能性状的影响

蒋立哲, 罗久富, 吴赛男, 隋欣, 刘军, 刘艳

2023, 44(6): 252-259. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0122

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为探索石漠化区光伏场区植被恢复策略,开展遮荫程度逐渐增加的阵列行间对照区和前檐、后檐、组件下方遮荫区植物8个叶功能性状差异和响应机制研究。结果表明：与阵列行间相比,檐下（前、后檐）植物叶鲜质量、叶干质量、叶面积、叶体积和叶组织密度升高,比叶面积降低;组件下方植物叶含水率、叶鲜质量、比叶面积升高,叶组织密度、叶干质量降低;檐下和组件下方植物叶性状种间变异总体上分别呈降低和增加趋势,但叶厚种间变异随遮荫程度增加而增大,叶含水率种间变异最小。据此,阵列行间、组件下方、檐下植物分别采取保守、积极、积极与保守协同的生态策略,研究成果可为植被恢复物种筛选提供科技支撑。

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大型城市电网下分布式光伏承载力评估分析

王海云, 于希娟, 张雨璇, 杨莉萍, 汪伟

2023, 44(6): 260-264. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0135

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为准确评估大型城市电网对分布式光伏的承载能力,该文在开展电网运行特性、电源装机构成、短路电流、电能质量、电压偏差及损耗和继电保护等6方面影响因素分析的基础上,提出考虑大型城市电网特性的分布式光伏承载力计算评估方法,并以大型城市电网为例,验证其可行性和实用性。算例结果表明,该方法能精准评估出电网10~220 kV母线可新增分布式光伏接入容量,为分布式光伏接入大型城市电网的规划、建设、运行分析提供有力指导。

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基于传递闭包的光伏短期功率组合预测方法研究

李薇, 王鑫鹏, 许野, 王旭, 马文静

2023, 44(6): 265-274. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0158

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为有效提升光伏短期发电功率的预测精度和保障电网的稳定运行,在分别利用皮尔逊相关系数法（PCC）提取相关气象要素、传递闭包法确定相似日的基础上,结合ARIMA时间序列和BP神经网络,分别构建PCC-传递闭包-ARIMA和PCC-传递闭包-BP两类组合预测模型,用于解决云南宾川某光伏发电站的出力预测问题。对比结果显示：1）相较于单一模型,组合预测模型的预测精度明显提升,其中PCC-传递闭包-BP模型的预测效果最好,平均精度可达91.19%;2）在历史光伏出力普遍偏高的前提下,ARIMA模型在高光伏出力时段可较好地描述光伏出力的波动和变化特性,BP模型在低光伏出力时段具有更强的调整和纠正能力。

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基于气候相似性与SSA-CNN-LSTM的光伏功率组合预测

王晓霞, 俞敏, 冀明, 耿泉峰

2023, 44(6): 275-283. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0161

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针对高分辨率气象数据匮乏影响光伏功率预测准确性的问题,提出一种融合气候相似性与奇异谱分析（SSA）、卷积神经网络（CNN）和长短期记忆网络（LSTM）的高分辨率光伏功率组合预测模型。运用SSA分解光伏序列为不同子序列,建立CNN-LSTM日前预测模型以捕捉光伏出力的连续性特征;利用气候相似性通过低分辨率气象数据选取相似日实现高分辨率光伏出力预测;通过灰色关联分析动态组合权重得到最终预测结果。仿真结果表明,该组合预测模型可有效提高日前高分辨率光伏功率预测的准确性,具有较高的预测精度。

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基于改进麻雀搜索算法的光伏功率短期预测

李争, 罗晓瑞, 张杰, 曹欣, 杜深慧, 孙鹤旭

2023, 44(6): 284-289. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0251

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为提高光伏输出功率预测精度、保证电网的优化调度和稳定运行,提出一种改进麻雀搜索算法（SSA）的光伏输出功率预测模型。首先,对实验平台收集到的历史数据进行分析,得到关键气候影响因素;然后,用经验模态分解和主成分分析法对数据进行维稳和降维处理;并建立改进麻雀搜索算法的BP神经网络预测模型;最后,进行实例验证。结果表明,该预测模型在敛散精度方面有所提升。

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基于AMBOA-DBN结合相似日的短期光伏功率预测

张程, 林谷青, 黄靖, 匡宇, 刘佳静

2023, 44(6): 290-299. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0275

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提出一种综合灰色关联理论的数据挖掘方法选取相似日,运用自适应动态权重的变异蝙蝠算法优化DBN神经网络。首先从历史数据集和预测日数据两方面分析主要影响光伏发电功率的因素,通过在原有模糊灰色关联分析的基础上,引入计算事物各属性发展趋势相似程度为衡量标准的综合灰色关联理论,选取更高相似度的相似日;利用自适应动态权重蝙蝠算法对DBN的权值参数进行优化,以此改进神经网络训练过程中因初始权值选取不当而陷入局部最优或收敛时间过长等问题。建立短期光伏功率预测模型,将此模型与其他预测模型进行对比,实验结果表明该模型更具预测精准性。

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寒冷地区不同过流断面MHP-PV/T冬季性能研究

李金平, 代静波, 李天澍, 牛梦瑶, 李彩军, VojislavNovakovic

2023, 44(6): 300-307. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0061

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为研究寒冷地区不同过流断面平板微热管光伏光热一体化组件（MHP-PV/T）冬季运行性能,对2组MHP-PV/T组件在45°安装倾角下进行性能测试,对比2022年1月1—2日系统光电、光热和综合性能。结果表明：在室外平均环境温度0.5 ℃条件下,矩形过流断面平板微热管PV/T（R-MHP-PV/T）系统平均光电效率12.1%、光电功率140.6 W、光热效率12.2%、光热功率161.7 W、总能功率321.1 W、总能效率约24.6%,总能收益2.31 kWh;梯形过流断面平板微热管PV/T（T-MHP-PV/T）系统平均光电效率12.0%、光电功率140.4 W、光热效率约8.6%、光热功率114.6 W、总能功率278.4 W、总能效率约20.9%,总能收益2.11 kWh。填充工质为R141b、充液率25%的矩形和梯形过流断面MHP-PV/T系统在寒冷地区冬季室外可启动并正常工作,R-MHP-PV/T系统综合性能优于T-MHP-PV/T系统。

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新型复叠有机朗肯循环太阳能热发电系统的性能分析

唐景春, 李俊辉, 李晶, 李鹏程, 曹青, 张秀平

2023, 44(6): 308-314. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0068

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提出一种基于两级蓄热罐和复叠有机朗肯循环的太阳能热发电系统。该系统根据太阳辐照度的变化可在额定模式和放热模式间切换,以保证发电的稳定性和持续性。采用联苯-联苯醚同时作为集热、蓄热及顶部有机朗肯循环（ORC）的工质,苯作为底部ORC工质。对系统进行热力学优化,结果表明最大热功转化效率为38.54%,甚至比采用合成油集热、双罐熔融盐蓄热的常规热发电系统效率还高,表明所提出系统具有较好的应用前景。

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火星表面薄膜型太阳能集热器设计及应用

张冰强, 贾阳, 杨淼, 张旺军

2023, 44(6): 315-322. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0095

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为解决火星表面探测器热能短缺挑战,克服火星表面太阳能原位热利用中的性能和环境适应性困难,提出一种基于火面太阳能原位热利用的薄膜型太阳能集热器,热能收集采用高透明聚酰亚胺膜窗和选择性吸收涂层,储能采用3D打印高填充率相变储能装置,并利用半刚性赋形设计、热变形自适应、被动式泄压分别解决火星表面尘积、大温差热交变和星际飞行过程中快速泄压问题。仿真和试验表明,集热器最大光热转化效率为74.9%,日平均集热效率为32.5%~49.8%,单位面积集热量为1105.7~2381.5 Wh/（m²∙sol）（其中sol代表火星日,火星的一个恒星日的平均长度是24小时37分23秒）,可适应火星严酷的应用环境。

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R290直膨式太阳能热泵供暖系统实验研究

孔祥强, 张鹏, 徐显, 闫循正, 岳振伟

2023, 44(6): 323-329. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0139

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为分析直膨式太阳能热泵耦合地板辐射供暖系统在北方寒冷地区的实际运行特性,设计并搭建以丙烷（R290）为工质的直膨式太阳能热泵供暖实验平台,分析冬季不同运行工况下环境参数对系统热力性能的影响。实验结果表明：系统可实现室内供暖的稳定性,实验测试期间平均室温保持在16.1~20.8 ℃之间,热泵系统性能系数（COP）保持在2.57~4.30之间,供暖系统COP保持在2.24~3.98之间。太阳辐照度每增加50 W/m²,热泵系统COP提升4.9%;环境温度每升高1 ℃,热泵系统COP提升2.4%。太阳辐照度对热泵系统的电子膨胀阀开度和工质质量流量影响较为显著。当终止水温从45 ℃提升至55 ℃时,热泵系统COP降低12.2%;而在终止水温为50 ℃时,供暖系统COP达到最大值3.37。

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基于均匀设计法的定日镜群镜风力系数变化规律研究

姜安民, 熊奇伟, 李正农, 董彦辰, 王飞飞

2023, 44(6): 330-342. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0230

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根据部分工况的试验数据,通过均匀设计法和回归方程来得到全部工况的数据,以达到简化定日镜风洞试验、提高试验效率的目的,并在此基础上对定日镜群镜平均风力系数进行研究。首先,根据风洞试验得到群镜13个工况的平均风力系数值;其次,分别确定二元非线性回归方程,利用回归方程计算出全部工况下群镜的平均风力系数回归值;再次,通过对典型工况下平均风力系数进行研究得到其变化规律,并分析出全部工况下群镜平均风力系数整体的变化规律;最后得出群镜平均风力系数与单镜平均风力系数变化规律基本一致等相关结论。

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基于代理模型的风力机翼型动态失速优化设计

张强, 缪维跑, 常林森, 刘青松, 李春, 张万福

2023, 44(6): 343-350. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0847

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为改善风力机翼型动态失速性能,利用代理模型方法替代计算流体力学（CFD）方法开展翼型动态失速特性优化设计。通过CST参数化方法构建翼型几何外形,采用优化的拉丁超立方抽样进行试验设计,获得样本点处的气动力参数,建立高斯过程回归模型,依据改善期望最大准则增加样本点,不断提高模型精度。以降低风力机翼型的平均力矩与阻力系数为优化目标,以平均升力系数不降为限制条件,采用受自然启发的全局进化类遗传算法进行寻优。结果表明：与原始翼型相比,优化翼型综合气动性能更优,尤其是平均阻力与平均力矩系数,分别减小9.57%与16.6%;此外,优化翼型可抑制后缘涡向前缘发展,在一定程度上改善动态失速。

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基于偏最小二乘多项式稀疏展开的含风电电力系统概率潮流计算

董晓阳, 梁琛, 马喜平, 李亚昕, 杨军亭

2023, 44(6): 351-359. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0073

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计及新型环保绿色能源如风电、光伏的不确定性,传统确定性潮流计算难以全面描述电力系统的运行情况。针对传统蒙特卡洛概率潮流算法计算量庞大的问题,结合偏最小二乘回归算法和多项式代理模型,提出一种偏最小二乘多项式疏展开的概率潮流算法。利用偏最小二乘回归算法的伪交叉验证误差自适应机制筛选出多项式展开式中的贡献度较大的多项式,得到多项式展开式的稀疏表达形式,可克服多项式展开概率潮流在输入变量较多时面临的维数灾难问题。在改进的IEEE-9,IEEE-30算例中进行仿真计算,并与传统方法作对比,验证了所提方法的有效性。

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基于监测数据的风电机组湍流识别及降载研究

汪亚洲, 蔡新, 林世发, 王浩, 张远, 边赛贤

2023, 44(6): 360-366. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0076

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针对风电机组在极端湍流工况常出现载荷极值,危及机组运行安全的问题,提出基于风电机组监测数据的湍流强度识别方法,构建利用机舱加速度间接计算湍流阈值的计算模型,并进一步提出极端湍流工况的降载策略。降载往往会造成机组发电量的损失,由此构建极端湍流工况降载优化数学模型,通过求解满足约束条件的目标函数极值,实现降载与发电量的双优兼顾。以某5 MW机组为例,通过数值仿真对降载效果进行验证,结果表明在不损失正常湍流工况发电量的情况下,机组轮毂My和塔顶My极限载荷分别降低15%和12.1%,其他部位载荷降低约5%。

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基于迁移学习的风电机组轴承故障诊断研究

安文杰, 陈长征, 田淼, 苏晓明, 孙鲜明, 谷艳玲

2023, 44(6): 367-373. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0085

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针对风电机组运行工况复杂,实际采集的振动信号存在分布差异,导致故障诊断模型的分类效果偏低问题,提出一种具有多核领域适应（MKDA）的多尺度卷积神经网络（MSCNN）风电机组轴承故障诊断研究方法（MKDA-MSCNN）。该方法通过迁移理论将已知风电机组知识迁移至目标风电机组实现故障诊断。首先,利用源域数据预训练MSCNN网络,再利用多核领域适应减小源域和目标域分布差异,最终获得目标风电机组故障诊断模型。试验结果表明,该文提出的MKDA-MSCNN方法在实际风电机组轴承故障诊断中分类精度高达96.17%,对比结果表明该文所提方法的故障分类准确度优于其他深度学习和深度迁移学习方法,对迁移学习理论在实际工程风电机组轴承故障诊断中的研究具有一定价值。

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基于面元法和FEM的海上浮式风力机叶片动力响应研究

陈迪郁, 刘利琴, 李焱, 张若瑜

2023, 44(6): 374-382. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0093

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考虑水动-气动耦合模型,研究海上浮式风力机在风浪作用下动力响应的数值模拟方法。采用速度势面元法求解浮式风力机叶片压力分布以及时变气动载荷;建立NREL 5 MW风力机的有限元模型,通过瞬态分析得到叶片的变形和应力分布。计算表明,在展长方向,越靠近叶根处,应力值越大;在弦长方向上,越靠近前缘点应力值越大。和风载荷单独作用相比,波浪载荷导致浮式平台产生较大幅度的纵荡和纵摇运动,能量传递到上部风力机后导致叶片的变形和应力更大。

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海上风电单桩部分胶结抛石体防冲刷措施模型试验研究

王百智, 王卫, 闫俊义, 陈松贵, 金峰, 江朝华

2023, 44(6): 383-389. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0109

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基于水下自护砂浆自流可控灌浆技术,利用高性能砂浆将单桩基础周围抛石胶结固化成胶结抛石体防护结构,并通过模型比尺为1∶13的大型波流水槽冲刷试验,研究桩周胶结抛石体防护结构在极端波流条件下的防护效果。试验结果表明,在重现期50和100 a极端波流条件下,水下部分胶结抛石体防护结构均能保持整体稳定,并有效减少单桩周围冲刷,桩周最大冲刷分别深度减少了82%和81%,冲刷范围减少了70%和80%。试验结果证明了部分胶结抛石体防护结构对海上风电单桩基础的稳定性起到良好的防冲刷保护作用。

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前后风力机尾流干扰实验分析及混合尾流模型验证

马高生, 常吉祥, 李德顺, 霍春玉, 刘念爽, 李仁年

2023, 44(6): 390-397. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0118

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为研究两台水平轴风力机在不同排布下尾流的相互影响,开展两台风力机串联和错列工况下的尾流速度风洞测量实验。实验结果表明：对相同来流情况,风力机不同排布下混合尾流的尾流膨胀速率相同;串联风力机的轴向间距小于6倍风轮直径时,其混合尾流比单台风力机尾流恢复快。另外,对已有尾流模型的叠加方法（速度亏损平方和法）进行了验证。结果显示基于Park-polynomial模型和Park-Gauss模型得到的叠加尾流在距下游风力机3.5倍风轮直径的截面与测量值吻合良好。之后的截面高估了尾流的速度亏损。该研究为发展更准确的尾迹模型提供了风洞测量数据,对风电场内风力机排布优化有一定的工程意义。

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考虑桩基础柔性的固定式海上风力机调谐液柱阻尼器振动控制研究

韩东东, 王文华, 李昕, 宿晓辉

2023, 44(6): 398-405. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0125

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采用线性耦合弹簧模拟风力机桩基础柔性,基于时域整体耦合分析方法,建立考虑桩基础柔性的海上风力机-调谐液柱阻尼器（TLCD）的耦合数值仿真模型,开展风浪联合作用下固定式海上风力机结构振动控制研究,探讨TLCD对于减振效果的影响,并结合频域响应揭示了TLCD的减振机理。研究表明,所设计TLCD通过调谐支撑结构一阶模态有效降低了固定式海上风力机结构自由衰减时程和耦合运动响应。与此同时,验证了不同设计工况下海上风力结构减振效果的差异,以及环境荷载与海上风力结构耦合效应对于TLCD减振效果的影响,进一步,依据海上风力机结构耦合运动响应控制率对TLCD的适用性和有效性进行了评价。

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桶式基础吸力沉贯试验研究

郭伟, 李森, 富坤, 邱松

2023, 44(6): 406-412. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0182

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针对海上风电场单桶多隔舱基础开展沉贯试验研究,并通过土压计、应力计等科研传感器数据对基础沉贯阻力和侧壁变形进行分析。自重下沉阶段基础最大倾角约为1.2°,吸力下沉阶段初期将基础调平后,不再发生显著倾斜。对淤泥质土层中的钢制桶式基础,采用静力触探数据结合上限阻力系数获得的理论压差结果与实测值最为接近,并基于实测土压力获得了侧壁摩擦系数为0.23。施工期结构应力监测结果表明,最大应力发生于桶顶,侧壁在压差作用下发生显著挠曲。基于单桶多隔舱基础吸力沉贯过程中隔舱内压力基本保持一致的现象,提出一种将应力计布设于隔舱板,从而避免内外压差影响的传感器布设方案。

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面向浮式风力机组混合模型试验的多通道载荷复现器设计与性能测试

梁泽浩, 田新亮, 温斌荣, 彭志科, 李欣, 武广兴

2023, 44(6): 413-419. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0191

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针对浮式风力机组水池模型试验对于风力机组模型尺度气动载荷精确实时模拟的要求,以OO-Star 10 MW浮式风力机组为模拟对象,设计制作一套面向浮式风力机组混合模型试验的多通道载荷复现器。对载荷复现器进行一系列静态、动态载荷复现测试。结果表明,复现器对于稳态风载的复现误差小于4%,最大正向、负向动态载荷变化率为30和27 N/s;在实景湍流风场作用下,复现器对实际风力机组的时变气动推力的频谱能量主区复现率达到99%以上,可有效提升混合模型试验的准确性与可靠性。

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开孔护圈对海上风力机单桩基础的冲刷防护试验

俞月林, 张国峰, 王忠岱, 谢立全, 李慧淑

2023, 44(6): 420-426. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0197

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基于圆形护圈调整桩基局部流场,护圈开孔进一步交换上下两侧水体,降低结构振动并减少桩基冲刷深度,从而维持风力机的正常运行。为验证开孔护圈的防护效果,开展不同开孔型式护圈防护下的单桩基础冲刷物理模型试验。通过设计9种不同型式的开孔护圈,探究护圈开孔形态、开孔数量和开孔位置对防护性能的影响。结果表明：护圈改变桩基边缘冲刷形态,护圈开孔可提高桩基前期冲刷速率;相比传统护圈,内侧开孔护圈和外侧开孔护圈防护效果较差,而中间开孔护圈可进一步减小单桩基础周围冲刷深度,并控制冲刷深度不均匀性,提升护圈防护效果。

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海冰撞击下海上风力机结构耦合动力特性与损伤分析

柳英洲, 施伟, 王文华, 李昕, 王滨

2023, 44(6): 427-435. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0201

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基于NREL 5 MW单桩基础海上风力机,考虑桩土相互作用,建立包括冰与海上风力机结构的三维精细化相互作用有限元模型,考虑冰与结构的耦合作用,运用ANSYS/LS-DYNA开展海上风力机在风-冰联合作用下损伤分析与动力响应研究,并针对结构损伤变形提出面积受损率用于评估海上风力机的损伤程度,探讨不同冰厚对海上风力机结构损伤和动力特性的影响。结果显示,随着冰厚的增加,动冰力平均值、峰值均增加,海上风力机动力响应增大。相比于海上风力机结构其他区域,基础结构接触面处损伤最大。通过该文提出的面积受损率可合理反映海上风力机在不同冰厚作用下的损伤程度,冰厚不仅会影响单桩基础的面积受损率,还会影响受损率的线性变化速度。

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结合改进ResNet与迁移学习的风力机滚动轴承故障诊断方法

雷春丽, 薛林林, 焦孟萱, 张护强, 史佳硕

2023, 44(6): 436-444. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0204

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为解决实际应用中风力机滚动轴承故障训练样本严重不足的问题,提出一种基于改进残差神经网络与迁移学习的小样本滚动轴承故障诊断模型。首先,该模型将挤压与激励网络嵌入到一维残差神经网络中,增加了模型的特征提取能力;其次,使用源域数据对所搭建改进残差神经网络模型进行训练,确定结构和参数,并使用L2正则化和Dropout机制抑制过拟合;然后,引入迁移学习,冻结使用源域数据训练好的部分模型参数,使用少量目标域数据对模型的全连接层参数进行微调;最后,对不同故障的样本进行分类。该方法在凯斯西储大学轴承数据集和本实验室轴承数据集上进行实验验证,实验结果表明：在不同实验条件下,所提方法与其他方法的计算结果进行比较,其均有更高的故障诊断准确度和更强的泛化能力。

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基于海上轻型站的海上风电场电气系统博弈优化

孙建龙, 王洋, 宋杉, 魏书荣, 王昊, 闫梦飞

2023, 44(6): 445-453. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0213

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随着海上风电场规模不断扩大,离岸距离变远,传统的集中式海上变电站面临安装容量过大、建设困难等问题。针对以上问题,引入一种海上轻型变电站,提出基于海上轻型变电站的海上风电场电气系统博弈优化方法。建立基于海上轻型站的电气系统全寿命周期成本模型,提出适用于轻型变电站选址的改进k-medoids聚类方法,对不同电压等级的电气系统进行优化,并基于组合权重法和混合策略对规划方案进行多方博弈评估。以江苏省某海上风电场为例进行分析,结果表明,基于海上轻型站的电气系统博弈优化方案能有效提高海上风电场电气系统的综合性能。

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固定式风电机组基础波浪能装置物理模型试验研究

高人杰, 史宏达, 李坚, 杨金培, 孙龙龙, 曹飞飞

2023, 44(6): 454-460. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0217

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近年来,随着传统化石燃料消耗日益增多和环境保护问题日渐严峻,海上可再生能源的发展越来越受到重视,海上风能和波浪能利用技术成为研究热点。该文提出一种基于固定式四脚导管架海上风力机基础的振荡浮子式波浪能装置,从能量守恒角度进行理论分析,开展几何比尺1∶8的物理模型试验,研究海上风能和波浪能耦合利用的可行性,分析波浪能装置对风电机组基础周边波浪场的影响并总结规律。研究发现：应针对特定海域的波高和周期条件挑选合适的浮子,且单个侧面浮子比单个正面浮子的能量吸收率更高、对波浪场的遮蔽作用更明显,为海上风浪耦合利用提供了理论依据和设计参数。

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复合材料叶片截面刚度对风力机叶片气弹响应的敏感性研究

牛牧华, 陈程, 李倩

2023, 44(6): 461-468. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0231

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为更深入考查叶片刚度对风力机气弹响应的影响,对叶片截面的刚度矩阵中的主对角线刚度系数在稳态风和湍流风况下的风力机气弹响应的影响以及敏感性进行系统研究。气弹模型中的气动模块采用基于叶素动量理论,并采用几何精确梁理论对叶片的结构动力学响应进行仿真。选用美国可再生能源实验室（NREL） 5 MW风力机组作为基准模型,调整叶片各截面刚度矩阵的主对角线刚度系数,利用敏感性影响因子评估刚度系数变化对叶片载荷的影响。结果表明：主对角线上挥舞方向的剪切刚度、挥舞弯曲刚度、摆振弯曲刚度、扭转刚度对气弹响应具有中高的敏感性。研究结果对掌握风力机气弹响应规律,发掘更深层次的风力机叶片设计方法提供了一定的指导意义。该方法能进一步扩展至研究叶片刚度对风力机机组气弹响应的敏感性研究。

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改进的同步磁阻电机模型预测转矩控制

赵正阳, 杜钦君, 凌辉, 杨姝欣, 冯晗, 李存贺

2023, 44(6): 469-476. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0233

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针对同步磁阻电机模型预测转矩控制转矩脉动大且受电感参数影响大的问题,提出一种改进的同步磁阻电机模型预测转矩控制方法。利用带遗忘因子的递推最小二乘法对电感参数进行辨识,将辨识得到的电感参数用于模型预测转矩控制中,可提高模型预测控制中数学模型的准确性、减少电感参数变化对模型预测转矩控制性能的影响。引入离散空间矢量调制技术,该技术通过合成大量的虚拟矢量提高系统的稳态性能,同时提出一种电压矢量选择简化方法,避免计算全部电压矢量,可减少计算量。仿真结果表明,该方法转矩与磁链脉动小,具有良好的动稳态性能。

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基于SHSVD-AS的风电齿轮箱故障诊断

凌峰, 杨宏强, 邓艾东, 王鹏程, 董路楠, 卞文彬

2023, 44(6): 477-483. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0253

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针对传统的硬阈值奇异值分解降噪法（HSVD）阈值选取主观性较强、自适应性较弱、易丢失信号特征的问题,首先提出一种自适应的硬阈值选取算法;其次,利用一种非等量最优权值收缩的软阈值奇异值分解降噪（SSVD）方法,并结合HSVD,形成一种混合阈值的奇异值分解（SHSVD）降噪方法;最后再结合所提出的一种幅值抑制（AS）算法用于突出信号的故障冲击特征SHSVD-AS。利用该方法对风电传动系统齿轮箱故障信号进行分析,仿真、实测信号的结果均表明,在强噪声环境下,相较于传统的HSVD、VMD-HSVD方法,SHSVD-AS在风电齿轮故障诊断上性能较好。

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基于LMD能量熵和定位分析的风电变流器开路故障诊断

张瑞成, 白晓泽, 董砚, 邸志刚, 孙鹤旭, 张靖轩

2023, 44(6): 484-494. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0257

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为提高风电变流器的故障诊断准确率,针对永磁同步风电机组网侧变流器IGBT模块的单一开路和双开路故障问题,提出一种基于局部均值分解（LMD）能量熵和定位分析的风电变流器开路故障诊断方法。首先,采集网侧变流器三相输出电流作为原始信号,利用LMD将其自适应分解为多层乘积函数（PF）分量,并求取各状态下PF分量的能量熵特征。然后,根据开路故障造成的三相电流时间序列的畸变特性进行定位分析。最后,将融合能量熵特征和定位参数的特征向量输入栈式稀疏自编码（SSAE）网络进行训练和故障识别。仿真与实验结果表明,融合能量熵特征和定位分析的特征提取方法使故障特征更为明显,相较于其他特征提取方法可有效提高风电变流器故障诊断准确率。

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海上风电机组多导管架拓扑优化方法

张承婉, 张锦华, 龙凯, 陆飞宇, 陶涛

2023, 44(6): 495-500. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0634

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为实现海上风电机组多导管架结构概念设计,对某型5 MW多导管架结构进行模态分析、整机载荷计算与极限工况下的刚强度分析。根据受力特点,建立多导管架结构的多目标拓扑优化模型,通过最小尺寸约束抑制棋盘格现象并设置对称面约束,得到不同权因子下的拓扑优化结果。基于某一加权因子下拓扑优化结果,重新建立新型多导管架有限元模型,并进行载荷重分析。通过极限工况下的静动态分析结果对比可知,优化结构一阶固有频率略有提高,最大变形和应力均大幅降低。上述结果证明了提出的拓扑优化流程在海上风电机组多导管架设计中的可行性和优越性。

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基于自适应模型预测控制的大型风电机组MPPT方法

田德, 周臣凯, 唐世泽, 周强, 黄明月, 邓英

2023, 44(6): 501-508. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0958

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综合叶尖速比法和自适应模型预测控制提出风电机组最大功率点跟踪策略优化方法。根据动力学方程建立适用于控制器设计的风电机组状态空间模型。基于卡尔曼滤波算法估计有效风速,进而求解出最优转速参考值,并作为预测模型自适应准则的基础。制定预测模型的风速自适应准则,解决传统模型预测控制中的模型错配问题。仿真结果表明改进后的最大功率点跟踪策略能增强系统的鲁棒性、提高风能捕获效率、降低电磁转矩波动。

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基于改进的Jensen模型尾流数值模拟研究

张萍, 刘洪威, 张国峰, 尹军杰, 陈程, 李练兵

2023, 44(6): 509-513. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1220

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为提高垂直方向尾流速度的预测精度,基于尾流速度在垂直方向呈现多项式分布的假设,考虑不同高度自然风速对尾流速度的影响,提出一种改进的Jensen尾流模型。以单台风力机作为研究对象,采用Jensen模型、高斯模型和改进的Jensen模型分别对风力机尾流速度进行数值模拟,并基于改进的Jensen模型分析大气稳定性对尾流速度恢复的影响。仿真结果表明,改进的尾流模型精度优于Jensen模型和高斯模型,在下游2.5D、4.0D和8.0D（D为风轮直径）距离处的误差低至7.35%、2.82%和3.44%。尾流速度恢复和大气稳定性密切相关,越稳定的大气层湍流强度越小,越不利于尾流速度恢复。

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炼化油泥醇解制备轻质生物油的研究

李秉硕, 杜马赫煊, 杨天华, 开兴平, 孙洋

2023, 44(6): 514-522. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0077

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通过超临界醇解炼化油泥回收轻质生物油,实验表明340 ℃、60 min、油泥与乙醇质量比1∶2时油相收率最高（59.37%）,且饱和烃与芳香烃含量分别达到15.78%和16.58%。脂肪烃、环烷烃与萘、菲、芴是饱和烃与芳香烃的主要组分,但直链烃在卤素催化下,通过羟基化、羧基化和酯化反应生成脂肪酸脂。油泥中的硫以噻喃形态进入轻质油,但噻喃会在乙醇作用下开环磺化、磺酰缩合使硫转移至沥青质;氮则以吡啶形态进入轻质油,重质油中的氮则以氨基和酰胺形态存在。

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烘焙条件对生物油蒸馏残渣理化性质及气化活性的影响

黄一滔, 刁瑞, 王储, 朱锡锋

2023, 44(6): 523-531. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0194

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利用傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）和X射线衍射仪（XRD）探究烘焙预处理技术对生物油蒸馏残渣理化性质的影响,并通过热重分析仪（TGA）表征生物油蒸馏残渣及其烘焙样品的气化活性和动力学演变。结果表明,250 ℃的烘焙温度能提升样品中烃类和芳香类物质的含量,225 ℃的烘焙温度有利于样品气化活性的提升。当烘焙滞留时间为1 h时,样品内芳香结构呈无序态,表现出更强的气化活性。烘焙气氛对生物油蒸馏残渣气化活性影响较小,但会显著改变官能团组成,空气气氛可明显增加样品内羟基含量,并抑制烃基和芳香类物质的生成。二氧化碳气氛可增加烃基含量,而氮气气氛下样品生成更多大芳环结构。此外,通过3种动力学模型对样品气化动力学分析,结果表明3种模型均能较好地模拟出各类样品的气化曲线,其中随机孔隙模型的拟合效果最好。

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氮掺杂芦荟碳和磁场对厌氧共发酵系统产甲烷的协同作用

安锦航, 李冰洁, 王凯君, 柯腾, 云斯宁

2023, 44(6): 532-540. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0280

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采用氮掺杂芦荟碳（N-C）作为厌氧共发酵的添加剂,研究其和磁场的协同作用对厌氧共发酵系统的甲烷产量、总化学需氧量（TCOD）去除率、pH值、总固体（TS）和挥发性固体（VS）去除率的影响。结果表明：与对照组CK相比,添加N-C可使发酵系统的产气高峰提前、沼气产量增加。给发酵系统施加5 mT的磁场,添加N-C可进一步提升共发酵系统性能。N-C添加剂和磁场协同作用可使产沼气高峰比CK组提前2~3 d,累计沼气产量提高48.4%~101.6%。质量分数为0.30% N-C的添加量使发酵系统获得最高的沼气产量（537.6 mL/g VS）、最高的甲烷含量（59.3%）和甲烷产量（318.8 mL/g VS）、最高的TCOD去除率（79.02%）、最高的TS去除率（44.1%）和VS去除率（55.7%）。最后,解释N-C作为添加剂和磁场在增强厌氧共发酵甲烷产量的协同作用。

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