太阳能学报

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董超, 韦虎俊, 尹金良, 杜明星

2024, 45(11): 1-8. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1028

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该文提出一种基于电磁辐射干扰（EMR）与V_{eE_peak}组合电参数监测IGBT模块封装老化的方法,旨在监测多种老化同时发生时IGBT模块的健康状态。首先,分析V_{eE_peak}和EMR的产生机理以及模块内部寄生参数对V_eE和EMR的影响;其次,分析不同老化对IGBT模块内部寄生参数的影响;最后,结合实验结果证明所提方法的正确性。这是一种不需要复杂监测电路的非侵入式监测方法,可有效降低多种老化耦合对IGBT模块健康状态监测结果产生的误差。

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考虑需求响应的数据中心余热系统运行优化

王奎, 王振宇, 沈仁东, 陈天恒, 丁一

2024, 45(11): 9-14. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1039

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构建一种融合可再生能源的数据中心余热利用系统,实现余热的高效利用。同时,为进一步降低系统运行成本,引入基于用户侧柔性负荷调节的需求响应机制,研究动态削峰补贴价格下系统的运行表现。结果表明：选取补贴价格依次为0.149、0.141、0.190、0.145元/kWh时,系统取得最高净收益266158.4元,且随着蓄热装置容量的提升,系统净收益增长率由10.4%降低至1.6%,可再生能源消纳量呈现下降趋势。

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含虚拟惯量的虚拟电厂Nash-Q强化学习调度策略

刘东奇, 钱奕衡, 张曦

2024, 45(11): 15-24. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1042

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目前,对于高效利用广泛接入电网的分布式电源问题的研究存在不足。该文通过结合博弈论与强化学习,提出一种含虚拟惯量的虚拟电厂Nash-Q强化学习调度策略,解决具有高随机性和不确定性的分布式电源协调优化调度的问题。首先,建立一个综合考虑碳排放、经济性、出力和惯量约束的虚拟电厂混合目标调度模型,并进一步构造出纳什均衡模型; 然后,针对燃气轮机组出力、风光机组出力、储能电池组出力和碳交易量定义多智能体,并构造多智能体的状态空间、动作空间集合和奖励函数,通过马尔可夫决策不断学习更新价值函数; 最后,在线推演输出多时间尺度最优调度策略。结果表明：Nash-Q强化学习调度策略相比于传统调度方法,提高了9.7%的收益、减少了13.6%的碳排放量,并利用储能电池组的虚拟惯量有效提高了虚拟电厂的惯量支撑能力,实现了虚拟电厂的低碳高效安全经济运行。

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光伏-质子交换膜电解水制氢耦合系统调控特性研究

王子恒, 陈志董, 范正兴, 孔艳强, 杨立军, 杜小泽

2024, 45(11): 25-33. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1044

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建立光伏-质子交换膜电解水制氢耦合系统仿真数学模型,开展系统流程与参数优化,并提出系统的运行调控策略：在辐照度变化时,通过调节光伏组件串并联结构以及质子交换膜电堆运行参数（入口水温与入口流量）来提高系统产氢量。对系统进行热力学分析,结果表明,系统能量效率随入口水温的升高而降低,最高可达11.52%。入口流量对系统能量效率的影响较小。系统火用效率随入口水温的升高而升高,随入口流量的升高而降低,最高可达9.15%。

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电力系统风险规避投资模型及分布式求解策略

田坤鹏, 韩建振, 臧义, 王均

2024, 45(11): 34-39. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1048

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建立电源、电网、柔性负荷和储能的数学模型,引入条件风险价值度量可再生能源不确定性风险,建立互联电力系统“源-网-荷-储”协调规划模型。考虑各区域电力系统信息安全性和隐私性提出分布式求解策略,以区域间联络线为耦合变量将集中式优化模型解耦为分布式优化模型。将动态惩罚参数和预测校正策略整合到交替方向乘子算法提高收敛速度,通过算例仿真验证基于分布式优化的风险规避投资模型的有效性。

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考虑风光相关性与灵活碳捕集的互补系统低碳经济调度

安源, 嘉程昊, 宁旭阳, 高嘉伟, 宋卓洋

2024, 45(11): 40-49. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1077

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针对大规模可再生能源并网引起的消纳问题,提出一种考虑风光相关性与灵活碳捕集的低碳经济调度策略。首先,通过核密度估计与Copula理论充分考虑风光的相关性。其次,进行综合灵活碳捕集电厂的改造,分析论证其能量转移特性以及调峰的灵活性。最后,考虑改造前后机组碳排放基准值的差别,构建以综合成本最低为目标的低碳经济调度模型,使用场景法刻画风光随机性,通过CPLEX求解器进行求解,证明在调度中考虑风光相关性以及灵活碳捕集能兼顾系统经济性与低碳性并提高系统的风光消纳能力。

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新型电力系统下高渗透新能源接入的次同步振荡问题研究

文继锋, 刘子俊, 周专, 曾维民, 周袁琼, 吕建国

2024, 45(11): 50-60. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1101

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为研究新型电力系统下的次同步振荡稳定性受参数影响的敏感性问题,针对LCL型滤波器的光伏并网系统,考虑静止无功发生器（SVG）的影响,基于阻抗分析法,建立弱电网下含SVG的光伏并网系统的阻抗模型,分析在弱电网下SVG装置对系统次同步振荡影响,研究系统稳定性受参数影响的敏感性问题。由理论分析与仿真结果表明,在一定参数范围内,SVG对系统的次同步振荡具有抑制作用,且SVG电抗器参数的数值减小时会增强抑制效果;减小SVG电流环比例系数会导致SVG抑制振荡的效果变差,甚至可能引起更严重的振荡;而增大积分系数可增强SVG的抑制效果,但调整范围不宜过大;随着电网强度增大,SVG仍能产生良好的抑制次同步振荡效果,电网强度减弱时,SVG抑制振荡的效果也会减弱,但仍具有抑制能力。

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考虑降阶型控制算法的直流微网谐振抑制策略

郑峰, 吴旭东, 郑宗华, 梁宁

2024, 45(11): 61-72. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1104

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为抑制微网谐振及母线电压波动,进一步提高直流系统稳定性,该文提出一种计及完全降阶型混合控制算法的直流微网谐振抑制策略。其中,针对线路调节变换器输出电压进行控制,在变换器内环引入电流预测模型,提高系统动态响应速度并省去PWM调制器以及参数的整定,实现电流内环单位化;电压外环则通过构建被控对象逆模型,实现二自由度控制下电压外环单位化。母线电压完全跟随参考电压,抑制了电压传递函数中出现的谐振峰以及母线电压波动现象。最后在Matlab/Simulink平台对所提完全降阶混合控制算法进行仿真验证,结果表明该控制策略能有效抑制直流微网谐振及母线电压波动,提高微网动态特性及抗干扰能力。

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基于PPO算法的电热氢耦合综合能源系统优化调度

梁涛, 张晓婵, 谭建鑫, 井延伟, 吕梁年

2024, 45(11): 73-83. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1107

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为改变“源随荷动”的传统运作模式并增加储能,实现能源网、负荷、储能等各环节协调互动,建立电热氢耦合综合能源系统（ETHC-IES）优化调度,其中应用氢储能实现安全稳定运行的“源-网-荷-储”的新型综合能源系统成为目前的研究热点。以降低综合能源系统运行成本并减少弃风弃光为目标,将ETHC-IES优化调度问题转换为马尔可夫决策过程（MDP）,提出应用基于连续动作的近端策略优化算法（PPO）的综合能源系统优化调度方法。首先建立电热氢储能各部分的数学模型,综合考虑功率平衡,安全状态等约束条件,然后采用PPO算法对模型进行求解,以提高经济性和减少弃风弃光为优化目标,重新设计深度强化学习模型的动作空间、状态空间、奖励函数等,智能体通过训练学习实现ETHC-IES的动态调度优化决策。最后,通过仿真验证所提出模型和优化方法的有效性和优越性。

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计及低碳响应的综合能源系统多时间尺度源-荷互动优化调度

李云鸷, 刘吉臻, 胡阳

2024, 45(11): 84-98. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1115

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为实现综合能源系统安全、灵活、低碳运行,提出一种计及低碳响应的源-荷互动优化调度策略,并在日前、日内等多时间尺度上进行研究。首先,基于综合能源系统的供能结构和多能互补关系,建立包含需求响应负荷和储能设备的混合能源集线器模型;其次,制定面向约时、实时响应负荷的需求响应策略,通过源、荷两侧共享调度信息,实现基于低碳响应的源-荷互动;引入碳排放均摊成本,以经济性、碳排放、用户舒适度为优化目标进行日前优化调度,并基于日前计划开展日内滚动和日内实时调度。仿真结果表明,该策略能充分挖掘源、荷两侧资源的调度潜力,缓解新能源消纳问题,为综合能源系统经济、低碳调度提供参考。

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基于共享储能的主动配电网有功优化研究

王洁, 葛愿, 汪超, 汪鹏程, 余诺

2024, 45(11): 99-107. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1121

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考虑到主动配电网的有功网损主要来自支路间电阻的损耗,在辐射运行状态下,通常为满足后续节点的功率平衡,会出现靠前支路的有功损耗增加等问题,为解决这些问题,提出基于共享储能的节点间能量共享策略,在此基础上构建含“风-光-气-储”的主动配电网有功优化调度模型。模型以主动配电网的日总有功网损最小为目标函数,采用融合前推回代法的改进均衡优化算法进行求解分析,并与设定的场景进行对比实验。仿真结果验证了所提策略和方法的有效性,共享策略和优化算法能优化网损,改善电压水平,提高电能质量和分布式可再生能源的消纳比例。

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新能源参与的联合市场双层优化竞价模型研究

赵书强, 王傲儿, 宋金历, 李志伟

2024, 45(11): 108-115. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1186

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为有效协调联合市场运营方的经济成本与机组方的调频市场收益,提出一种联合市场环境下多源参与的双层优化竞价模型。市场运营方通过上层模型制定发电计划,并确定各机组在调频市场中的调频容量中标值,其优化目标为减少联合市场综合运营成本;基于上层模型运行结果,机组方通过下层模型调整其调频市场报价策略,其优化目标为提高被优化机组方的调频市场收益,在经济性优化的基础上保证系统的调频性能。通过算例验证可知,当下层模型主体为火电机组时,双层优化模型使得火电机组方的一次调频收益在联合市场综合成本趋于稳定的基础上有所提高;当下层模型主体为新能源机组时,双层优化竞价模型使得新能源机组方的一次调频收益较优化前有所提高,联合市场综合成本有所下降,利用经济性优化提高新能源机组调频参与积极性的同时,系统获得了更优的调频性能,结果显示此情况下的系统综合调频性能量化均值较优化前有所提高。

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考虑风光及负荷不确定性的虚拟电厂低碳经济调度

吕游, 毛乃新, 秦瑞钧, 张谦, 辛晓钢

2024, 45(11): 116-123. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1195

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针对风光出力及负荷预测的不确定性对电力系统调度计划产生的影响,提出考虑不确定性的虚拟电厂低碳经济调度方法。首先,以虚拟电厂运行总成本最小为目标,建立优化调度模型;同时考虑到虚拟电厂的碳排放情况,将阶梯型碳交易模型加入目标函数中进行调度;其次,引入模糊机会约束算法,对风光出力及负荷的不确定性进行处理;最后,算例结果表明所提调度模型的有效性,即综合考虑模糊机会约束和阶梯型碳交易的调度模型可有效提高新能源渗透率并降低系统碳排放。在此基础上,可通过设置置信水平来控制风险,保证系统的安全稳定运行。

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严寒地区空气源热泵供热系统改造优化研究

刘馨, 耿秀, 冯国会, 赖鑫, 宋萌萌, 吴修慧

2024, 45(11): 124-130. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1233

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以严寒地区一栋办公建筑空气源热泵供热（ASHP）系统为研究对象,实地调研系统设计与运行数据,分析ASHP系统供热效果并提出改造优化方案。利用TRNSYS软件构建太阳能光伏空气源热泵耦合供热系统（PV-ASHP系统）、太阳能光热空气源热泵耦合供热系统（SC-ASHP系统）和太阳能光伏光热空气源热泵耦合供热系统（PV/T-ASHP系统）模型,研究改造方案可行性。结果表明：相较于改造前系统,改造后系统中SC-ASHP系统与PV/T-ASHP系统性能系数（Ccop）为7.10、6.57,PV-ASHP系统与PV/T-ASHP系统运行能耗降低约50%,PV/T-ASHP系统太阳能利用率最高,达61.51%。

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基于NSGA权值修正的MPC方法及其在光氢系统应用

梁媛, 王红庆

2024, 45(11): 131-140. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1236

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针对模型预测控制（MPC）优化控制方法中权值修正问题,以光氢系统为研究背景,搭建一种非支配排序遗传算法（NSGA）修正MPC中权值的复合模型。以NSGA为外层函数,以储能电池出力能力评价系数、储能电池充/放电总能量和碱性电解槽（AEL）功率波动率为目标函数,将权值作为NSGA-MPC复合模型的输入变量进行选择、交叉、变异;以MPC优化控制方法为内层函数,针对不同权值,将计算得出的不同输出变量作为NSGA中目标函数的输入变量,经过遍历、寻优,最终得到最优权值。将最优权值结合现有研究成果中MPC优化控制所用权值围绕三方面进行对比分析,包括：目标函数值、MPC优化控制追踪效果、电解槽和储能电池功率波动率。结果表明,所得最优权值一定程度上降低了电解槽和储能电池的功率波动,优化了MPC控制追踪效果。

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基于多频段自适应陷波器的风电外送系统次同步振荡抑制策略

王子建, 谷瑞峰, 马燕峰, 张鑫宇, 赵书强

2024, 45(11): 141-152. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1239

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提出一种基于多频段自适应陷波器（MANF）的风电外送系统SSO抑制策略。首先,在分析SSO产生机理的基础上确定MANF在双馈风电机组（DFIG）转子侧变流器（RSC）中的安装位置。其次,利用递归群谐波功率最小化（RGPM）算法优化的DFT辨识法设计次同步振荡检测器,有效解决模态混叠等问题;然后利用加窗稀疏度自适应匹配追踪（SAMP）算法,设计可根据输入频率实时更新陷波频率的MANF。最后,通过与多陷波点陷波器（MNF）和单陷波点自适应陷波器（ANF）对比,验证了抑制策略的有效性;在考虑不同串补度、风电部分切机同时火电补发功率的工况下,验证了抑制策略的鲁棒性。

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“光火储”一体化发电系统的运行策略研究

王强, 李斌, 张金宏, 王雨萌, 杨建蒙

2024, 45(11): 153-161. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1240

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为提高新能源消纳,促进火电机组灵活性改造,以“光火储”一体化发电系统为研究对象,采用贝叶斯算法优化长短期记忆神经网络,建立用电侧负荷需求预测模型。基于燃煤机组（CFPP）的出力特性分析提出以平抑CFPP出力波动为目标的“光火储”一体化发电系统的运行策略。结果表明：热力性能方面,耦合了储能之后对CFPP造成的不利影响可抵消掉;出力波动特性方面,相比于原CFPP,机组连续运行7 d的出力波动率降低7.16%,优化效果显著。

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YOLOv5用于太阳电池缺陷检测优化研究

李玉娟, 周界龙, 麦耀华, 吴绍航, 高彦艳, 李阳

2024, 45(11): 162-169. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1027

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在新能源应用技术中,太阳电池表面缺陷检测是至关重要的技术环节。该文研究并提出一种基于YOLOv5算法的优化模型,可对静态图片进行检测也可用于实时视频中。将坐标注意力机制（CA）加入到YOLOv5的主干网络部分。再将颈部网络部分的特征融合部分优化为BiFPN结构。最后,为解决正负样本数量失衡问题,开启Focal Loss,并将其优化为Varifocal Loss。将此优化算法应用在PVEL-AD数据集上,并将mAP@0.5作为验证标准。验证结果表明,该研究所使用算法的检测精度达到86.24%,相较于未优化的原始算法提升5.64%。

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薄片化准单晶硅电池光伏性能研究

马少波, 李进, 瞿立, 马润, 王忠良

2024, 45(11): 170-177. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1140

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利用Quokka2软件对以准单晶硅片为衬底的太阳电池进行模拟仿真,研究硅片厚度对不同氧含量、体寿命的准单晶硅太阳电池转换效率以及功率损耗的影响。与直拉单晶硅相比,准单晶硅成本较低,硅片内缺陷较多、氧含量较低。通过将准单晶硅片应用于钝化发射极和背面电池（PERC）以及叉指背电极接触电池（IBC）,比较硅片在不同电池结构下的光伏性能。结果表明：随着硅片厚度从150 μm降到70 μm,Shockley-Read-Hall（SRH）复合损耗也随之降低,最高可达1.14 mW/cm²,但同时短路电流密度的下降也有0.95 mA/cm²,相互影响下电池转换效率仍有一定的提升。薄片化准单晶硅PERC太阳电池转换效率可达23.04%;薄片化准单晶硅IBC太阳电池转换效率可达23.73%。

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太阳电池红外协风焊接热场温度稳定性研究

麻超, 刘超, 张向前, 王帆, 于波, 戎瑞

2024, 45(11): 178-182. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1230

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采用数值模拟结合正交试验的方法分析太阳电池焊接传热过程,研究不同工艺参数对温度稳定性的影响作用。通过正交试验设计方法规划试验方案,利用CFD传热仿真模拟焊接传热过程获取试验数据,分析仿真数据得到最优工艺参数组合。结果表明：中心灯管功率为55 W、预热温度为150 ℃、灯管高度为25 mm、焊接时间为2.2 s、边缘灯管功率为70 W、空气流速为0.6 m/s时焊接热场温度稳定性最高,此时模拟温度与最佳温度的差值为3.5 ℃。

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光伏单晶硅细线超薄切片加工研究进展

葛梦然, 赵桂丽, 郑金涛, 赵玉康, 邢旭, 葛培琪

2024, 45(11): 183-193. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1581

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分析光伏单晶硅切片加工的原理和现状,金刚石线锯母线直径已降低至37 μm,G12半片光伏单晶硅片的切片厚度已减小到110 μm。阐述光伏硅晶体高出片率切片加工的主要技术途径是锯切硅片厚度减薄和金刚石线锯直径减小。分别讨论锯切硅片表面裂纹损伤和断裂强度、金刚石线锯间和硅片间的液桥作用以及机器视觉检测对光伏单晶硅高出片率切片加工的影响。对光伏单晶硅高出片率切片加工面临的关键技术提出展望：1）开发低成本钨丝金刚石线锯;2）研发新型冷却润滑液和冷却润滑技术;3）研发切片加工新工艺;4）建立电镀金刚石线锯表面磨粒分布状态与切片加工性能之间的量化关系。

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环境因素对光伏组件的温度及输出特性影响研究

吕玉坤, 赵润一, 周庆文, 赵伟萍

2024, 45(11): 194-203. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1229

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为提升光伏发电效率,以本校YL250P-29b型多晶硅太阳电池封装组成的光伏组件串联而成的光伏阵列为研究对象,建立光伏组件温度数值模型。通过对比人工积灰试验数据与模拟结果,验证了该数值模型的合理性。以此模型为基础,模拟分析风速、辐照度、环境温度、积灰密度对光伏组件温度的影响;依据光电转换效率和输出功率的经验公式,探究了上述环境因素对光伏组件输出特性的影响规律。结果表明：光伏组件温度和光电转换效率与风速之间为负相关关系,与辐照度、环境温度、积灰密度之间为正相关关系;光伏组件输出功率与环境温度和积灰密度之间为负相关关系,与风速和辐照度之间为正相关关系。在该文的研究范围内,各环境因素与光伏组件温度和光电转换效率的关联顺序均为：环境温度>辐照度>风速>积灰密度,与输出功率的关联顺序为：辐照度>积灰密度>环境温度>风速;环境温度每升高1 ℃,光伏组件温度也升高约1 ℃,光电转换效率和输出功率分别下降约0.06%和0.4%;积灰使光伏组件温度下降,光电转换效率升高,但会极大降低光伏组件的输出功率。

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基于时间序列特征提取的光伏组件老化故障诊断方法

何云霄, 卫东, 郭倩, 顾鑫磊

2024, 45(11): 204-211. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1049

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通过分析老化故障的产生和演化机理以及对热斑、隐裂和电势诱导衰减（PID）故障时间序列特性的差异性比较,确定老化故障时间序列具有独特的变化规律;通过光伏组串等效电路模型参数计算,研究和验证这种变化规律对模型参数的影响作用和相关性,确定老化故障诊断特征向量;采用模糊C均值聚类算法,提出基于时间序列特征提取的光伏组件老化故障诊断方法。仿真和实验结果表明：所获得的模型参数计算结果能很好地描述时间序列的特性变化;所确定的故障诊断特征量,能有效表征老化故障的发生和演化过程;所提出的故障诊断方法能可靠地实现老化故障判定、程度等级划分和程度估算。

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阴影遮挡下三分片光伏组件性能模拟方法研究

黄悦婷, 白建波, 王柱将, 胡家宇, 郑爽, 王士涛

2024, 45(11): 212-219. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1094

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光伏组件切片技术是提升组件功率的一种有效方法,但结构的变化给研究复杂场景下光伏组件输出性能的建模带来一定的难度。该文提出一种阴影遮挡场景下三分片光伏组件性能模拟的方法,该方法以单太阳电池为基础,结合等效电路的串并联结构,对阴影遮挡场景下三分片组件的输出性能进行模拟,最后采用不同遮光实验来验证算法的准确性。通过模型计算功率与实测值对比,三分片组件5参数的最大误差为2.68%,最小误差为0.51%;三分片组件遮阴失配模型中最大功率点的最大功率误差为3.34%,最小误差为1.02%,证明该方法具有较高的精度。此外,该文还对三分片组件在不同遮挡场景下的输出性能进行对比研究,结果表明：三分片串并联的电路结构能使组件在局部阴影遮挡情况下获得更高的输出,三分片组件抗阴影遮挡性能更优。

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基于GS-SVM的光伏阵列积灰程度评估方法研究

张逴, 李树成, 魏东, 刘素民, 易建波

2024, 45(11): 220-226. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1093

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提出一种基于网格搜索（GS）和支持向量机（SVM）的阵列积灰程度评估方法,有效解决光伏阵列表面积灰与光伏出力之间的潜在经济性损益问题。通过对光伏阵列积灰以及混有其他故障的输出特性进行分析,揭示短路电流这一电气参数能反映光伏阵列积灰情况且不易受其他故障干扰。提出以短路电流、太阳辐照度以及温度3个参数作为输入特征量,含GS超参数优化技术的SVM积灰程度评估模型。经过实验测试分析,证明该方法准确率高于DecisionTree、GS-DecisionTree以及XGBoost评估方法,且应用中对数据采集量和训练样本量的需求低,易于推广应用。

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一种多模态组合型Y源逆变器

马建伟, 刘鸿鹏, 魏来, 张伟, 王卫

2024, 45(11): 227-238. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1037

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针对耦合电感型阻抗源逆变器升压能力不足和直通电流较大的问题,将多模态组合思想引入到Y源阻抗网络,提出一种多模态组合型Y源逆变器。对所提逆变器的所有模态组合方式、相应的调制策略和电压电流关系进行详细分析,推导出升压比和关键器件应力。与改进型Y源逆变器和高升压Y源逆变器进行对比,多模态组合方式使所提逆变器的升压比引入新的影响因子,能在相同绕组系数K和直通占空比d下令升压能力更高。同时具有更低的二极管电压应力,且抑制了直通电流的大小。最后通过搭建200 W的实验平台,验证所提逆变器的可行性和优越性。

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新型非隔离高升压DC-DC变换器

周晓燕, 权利敏, 李海滨, 张民

2024, 45(11): 239-246. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1063

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针对传统Boost升压变换器升压能力不足的问题,提出一种新型非隔离高升压DC-DC变换器,其特点是高电压增益、连续输入电流、开关管和二极管电压应力低、高效率。通过在电路中引入耦合电感,电路可在适当的占空比D下工作,同时通过调节匝数比来保持电压增益。首先对所提变换器的工作状态进行分析,然后推导出元件的电压和电流应力。此外,为了突出所提变换器的性能优势,将其与其他拓扑结构进行比较。最后,通过实验室制作的实验样机验证所提变换器的可行性和有效性。

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反激式逆变器控制策略研究

吴东旭, 徐爽, 周京华

2024, 45(11): 247-257. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1070

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针对以往文献中缺乏系统精确的数学模型、谐波含量大、功率传输低等问题,使用两种不同方法详细推导反激式逆变器三阶、四阶数学模型,提出一种应用于反激式逆变器的极点配置控制方法。通过改变极点位置,对逆变器进行性能优化,优化设计的主要目的是给电网提供更优的电能质量,使其具有更强的鲁棒性。推导临界占空比,详细分析逆变器工作原理,最终在仿真中验证所提出方法的正确性。

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基于半有源倍压整流的交错并联高增益Boost变换器

梁延科, 刘旭, 李珊瑚, 孙庆国, 汤雨

2024, 45(11): 258-266. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1108

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提出一种电流型Boost半有源倍压整流变换器,二次侧整流桥只有一个二极管承受输出电压,其余半导体器件和变压器二次绕组电压应力为输出电压的1/2。通过降低变压器匝比和减小其寄生参数,以及使用具有较小关断损耗和低导通电阻的低压器件,提高变换器在高频轻载时的效率。在一次侧占空比控制和二次侧移相控制基础上,分析其功率特性、软开关约束条件以及交错电流纹波特性,对比其与传统半有源变换器的性能,并搭建50 kHz/1 kW实验样机,来验证理论分析。

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基于多光谱图像融合的区域光伏发电容量预测

马晓磊, 张彦军, 汪凯威, 孙林华, 李永光

2024, 45(11): 267-271. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0464

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为了提高电力系统运行的安全性,提出一种基于多光谱图像融合的区域光伏发电容量预测方法。确定区域光伏发电管辖范围,采集多光谱卫星遥感图像,对图像进行IHS变换和Curvelet变换,通过多光谱图像融合技术融合标准差,分析光伏电站时空特征,集合历史数据,动态预测区域光伏发电容量。实验结果表明：该方法的预测均方误差为0.526、互信息以及结构相似性均在0.9以上,可以清晰呈现光伏电站时空多光谱图像,区域光伏发电容量真实值与预测值较为拟合,可以准确预测区域光伏发电容量的变化情况。

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基于深度学习的光伏红外图像热斑检测方法

牛小育, 刘长良, 刘卫亮, 刘帅, 王昕, 康佳垚

2024, 45(11): 272-281. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1057

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由于航拍光伏红外图像中的热斑故障多为小目标且与干扰背景极为相似,导致热斑故障检测精度低,基于此提出基于深度学习的二阶段式热斑检测方法。第一阶段,进行干扰背景去除。针对光伏组件分割速度慢、边缘提取效果较差和正负样本不均衡的问题,通过替换主干网络和采用混合损失函数,提出一种改进的DeepLabv3+分割模型,实现光伏组件区域的快速、精准提取;第二阶段,进行热斑故障检测。针对小目标热斑漏检、误检问题,通过采用增强版SPP模块、引入浅层检测尺度和改变边框回归损失函数,提出一种改进的YOLOv5热斑检测模型,实现热斑的准确识别。利用自制数据集开展对比试验,结果表明相比于原DeepLabv3+分割模型,所提分割模型的平均像素准确率和平均交并比分别提高1.7和1.51个百分点;相比于原YOLOv5模型,所提热斑检测模型的平均精度均值mAP₅₀与mAP_50∶95分别提高2.6和10.7个百分点。

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基于轻量化YOLOv5s的光伏热斑检测定位方法

孙海蓉, 刘永朋, 周黎辉

2024, 45(11): 282-288. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1110

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针对目前目标检测技术在检测光伏热斑效应时模型检测速度低、计算复杂、模型结构复杂等问题,提出基于轻量化YOLOv5s的光伏热斑检测定位方法。首先,以YOLOv5s为基础模型,引入轻量网络ShuffleNetV2改进YOLOv5s的主干网络,利用其分组卷积和通道混洗的设计思想,减少模型参数和计算量,同时保持较高的准确率。其次,引入轻量级卷积GSConv优化YOLOv5s的Neck部分,利用其深度可分离卷积结合标准卷积的形式,降低计算复杂度,优化整体模型。最后利用数据集进行验证。结果表明,轻量化后的模型在保证较高精度的前提下,能够提高检测速度、减少参数量和计算量。

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基于双模态融合的光伏电站周界入侵检测研究

侯北平, 陈家豪, 朱昱臻, 郑洋斌, 于爱华

2024, 45(11): 289-295. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1118

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针对分布式光伏电站周界入侵检测数据不足、精度低、检测异物不完全等问题,在双模态特征融合基础上提出一种改进式的周界入侵目标检测算法（VT-DETR）。首先,将单通道网络拓展为双通道网络,以同时提取可见光与红外图像的多维特征;其次,引入软权重分配策略,以弥补可见光与红外图像融合时热辐射信息的缺失;最后,改善损失函数的计算方式,提升注意力机制训练效率。另外,构建面向分布式光伏电站的周界入侵图像数据集。实验结果表明,改进后算法的平均检测精度达到92.08%,验证了该方法在分布式光伏电站周界入侵检测上的有效性。

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基于改进LSTM的光伏发电功率预测方法研究

彭曙蓉, 陈慧霞, 孙万通, 郭丽娟, 李彬

2024, 45(11): 296-302. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1122

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针对光伏发电功率存在的较大随机性和不确定性问题,提出一种基于改进长短期记忆神经网络的光伏发电功率预测方法,以此提高光伏发电功率预测的准确性。首先,分析与光伏发电出力相关性较强的气象特征,并利用t分布近邻嵌入降维技术将被选取的特征数据降至二维,以减小数据复杂度。然后,通过密度峰值聚类将降维后的数据自动聚成3类,帮助训练长短期记忆神经网络预测模型。与传统循环神经网络和长短期记忆神经网络模型相比,所提模型在光伏发电功率预测方面表现出较高的预测精度,MSE减少49.00%和31.77%,RMSE减少28.59%和17.41%,MAE减少62.35%和53.52%。研究结果表明,该模型在光伏发电功率预测方面具有较好的适用性。

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基于数字孪生与融合神经网络的光伏阵列故障诊断

刘卫亮, 姜锴越, 许之胜, 刘帅, 刘长良, 王昕

2024, 45(11): 303-312. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1124

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提出一种基于数字孪生模型与融合神经网络的光伏阵列故障诊断方法。首先,设计并初步实现包含孪生模型、数据采集与传输模块、服务应用系统的光伏电站数字孪生系统整体框架;其次,结合机理建模方法与粒子群（PSO）优化算法,建立光伏阵列数字孪生模型;再次,通过评估数字孪生模型输出与物理实体输出之间的残差,对故障进行检测;最后,采用时间卷积网络（TCN）结合双向门控循环单元（BiGRU）的融合神经网络,对光伏阵列故障进行诊断。实验结果表明,所提光伏阵列故障诊断方法较其他方法具有更高的精度,准确率可达97.8%。

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基于电压灵敏度的分布式光伏电压控制方法

吴福保, 孙文文, 何国庆, 熊俊杰

2024, 45(11): 313-319. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1127

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首先基于典型的辐射状配电网结构,推导基于电压灵敏度的配电网电压-有功解析表达式。在此基础上,提出一种基于电压灵敏度矩阵的分布式光伏有功和无功协同控制方法。仿真结果表明,所提出的电压控制方法能有效解决配电网电压越限问题,能充分利用分布式光伏的无功输出能力,同时使同一条馈线上的所有分布式光伏均分有功功率削减量,共同承担因参与电压调节带来的发电量损失。

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基于Kmeans++聚类的光伏系统直流电弧故障检测研究

邬洲, 张军, 李隆, 李宝龙, 陈辉

2024, 45(11): 320-329. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1137

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针对光伏系统中直流侧串联电弧故障由于信号微弱且具有强烈的随机性,从而导致故障不易识别的问题,提出基于互补集合经验模态分解（CEEMD）与K均值聚类（Kmeans++）相结合的故障检测方法。首先,通过使用CEEMD将光伏系统直流侧电流信号分解为若干个本征模态分量（IMF）,然后使用皮尔逊相关系数来筛选有效的模态分量以进行信号的重构。其次,对重构后的信号进行时频域特征提取,并应用Kmeans++进行故障识别。实验结果表明,采用所提方法能有效地检测故障。鉴于实际光伏系统运行的复杂性,研究不同外部干扰对电弧检测算法的影响,并通过实验数据验证该方法在抗干扰性方面的优越性。最后,与基于PNN和SVM的故障检测方法进行比较,验证了所提电弧故障检测方法的有效性。

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基于波动特征提取下云层分型的短期光伏发电功率预测方法

张蕊, 李安燚, 刘世岩, 薛世伟, 贾清泉, 巩秦海

2024, 45(11): 330-342. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1169

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短期光伏发电功率的预测精度与天气类型紧密相关,云层的无规则运动导致光伏发电功率波动。因此该文通过监测不同天气类型下云层的运动形态提高预测精度。首先,基于NWP因子将天气划分为5种类型,并通过变分模态分解将光伏发电功率分为平滑过程与波动过程数据。其次,采用云层灰度值判断云层厚度,由加速鲁棒特征（SURF）监测得到云层特征点,跟踪特征点的移动得到云层的运动速度和方向。然后,提出波动特征参数,结合云层运动状态分析波动形态,从而将云层运动状态与波动形态相关联实现“云层分型”。最后,针对平滑数据和波动过程的数据特征,结合机器学习算法自身的适应性条件,提出基于CNN-LSTM的组合预测算法。该算法实现了基于NWP相关因子,以光伏功率历史平滑数据和历史波动数据为输入、以光伏功率预测值为输出的预测方法,显著提高了光伏发电功率的预测精度。

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一种适用于电动汽车无线充电的恒压恒流混合补偿拓扑

周晓燕, 王鹤霖, 贾海涛, 卢庆轩, 张民, 张海龙

2024, 45(11): 343-351. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1932

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提出一种由光伏供能的无线电力传输系统,其主要应用于电动汽车（EV）的恒流（CC）和恒压（CV）充电拓扑结构,只需调整继电器的开关状态,即可实现电感电容器-电感电容器（LCC-LCC）的CC输出和电感电容串联（LCC-S）的CV输出。与其他拓扑相比,无需冗余元件,且在工作过程中开关频率固定,具有较高的误差容限。所提出的拓扑结构还能实现双向CC和CV充电,而无需在一次侧和二次侧之间进行通信。为验证拓扑结构的有效性,在实验室中搭建6 kW样机,其最大有效率为94%。

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源荷置信度水平下光伏光热耦合热电联产系统的调度优化

陈思, 杨宏欣, 王翀, 王军, Lund Peter

2024, 45(11): 352-359. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2024-1734

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为提升近用户侧太阳能安装容量,促进太阳能光伏与光热的消纳,提出一种光伏光热耦合的热电联产系统,构建基于能源销售商—用户—系统的主从博弈理论,优化不同置信度水平下用户侧和系统侧的热电平衡关系。案例分析结果显示,使用主从博弈策略达到博弈均衡后,在置信度为0.9的工况下,需求响应后用户侧在高电价时段的用电需求平均减少763 kWh,而在低电价时段用电需求平均增加564 kWh。其中,燃气轮机在09：00时输出最大电能为2.2 MWh,光伏组件在14:00时输出最大电能为2.4 MWh,用户侧的用热需求实现31.6%的削减。通过引导系统侧的设备出力及用户侧的用能需求,系统侧产能更合理,用户侧用能更经济,各参与方均能实现自身利润的最大化。

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氧化石墨烯强化相变材料微胶囊悬浮液光热性能研究

郭家志, 丁玉梅, 安瑛, 尹志凡, 张锋华, 左夏华

2024, 45(11): 360-366. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1065

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将片状氧化石墨烯与相变材料微胶囊进行混合,制备成光热悬浮液,对其光学性能和光热转换性能进行探究,并分析氧化石墨烯对相变材料微胶囊光热性能的影响机理。结果表明,相较于无氧化石墨烯的相变材料微胶囊悬浮液,添加氧化石墨烯的复合悬浮液的光学性能和光热转换性能均有明显提升,在0.1%的相变材料微胶囊悬浮液中添加0.03%的氧化石墨烯,使其在特定波长下的消光系数提升522.30%,添加0.1%氧化石墨烯时室内光热实验的温升和光热效率达到最高,分别为63.7 ℃和57.49%,在室外光热实验中温度提升59.2 ℃。

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水产养殖工厂太阳能-海水源热泵系统水体调温性能研究

邵妮娜, 田兴旺, 张殿光

2024, 45(11): 367-374. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1076

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该文在对比传统水体温度提升技术的基础上,将太阳能光热利用技术与海水源热泵技术相结合,提出一种太阳能-海水源热泵水体调温系统。研究结果表明,该系统能够有效提升冬季养殖水体温度,其中废热回收子系统中废热回收利用效率最高可达78%,该部分对提升海水温度的贡献率最大,为53%;海水源热泵子系统对养殖海水温升贡献率其次,为43%;太阳能辅助升温子系统对养殖海水温升贡献率最小,为4%。另外,太阳能-海水源热泵系统节能效益显著,与燃煤锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉、电锅炉和空气源热泵等传统养殖用水温度提升技术相比,太阳能-海水源热泵在冬季可分别节省53%、77%、80%、90%、65%的运行费用。

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平板太阳能集热器盖板壁面凝结对性能影响研究

尚世杰, 王登甲, 张睿超, 傅治国

2024, 45(11): 375-383. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1085

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通过分析平板太阳能集热器各部件之间的能量平衡关系,结合盖板壁面的凝结条件,建立平板集热器传热传质模型并进行验证,计算盖板内外壁面的凝结时间和凝结量,探究不同气候类型和部件参数对盖板壁面凝结特性的影响。结果表明：不同气候类型盖板壁面凝结特性差异显著,全年最大和最小壁面凝结量相差82.03%、凝结时间相差87.21%,单日最大凝结耗热量占次日有效集热量的5.69%,盖板发射率、集热器倾角、吸热板发射率对于盖板壁面的凝结影响程度依次减小。研究结果可为抑制平板太阳能集热器盖板壁面凝结提供理论支撑。

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基于跨季节土壤蓄热的超算中心余热和太阳能耦合供暖系统的仿真研究

李政, 孙东亮, 王齐, 周辰飞, 宇波

2024, 45(11): 384-393. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1143

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为缓解能源危机,降低环境污染,该文创新性提出一种基于跨季节土壤蓄热的超算中心余热和太阳能耦合供暖系统,该系统可适用于太阳能集热器铺设面积有限,难以满足建筑供暖需求的中高层居民住宅。在供暖季时,系统将超算中心余热、太阳能与地源热泵联合供暖,在非供暖季则将多余的热量补充到土壤中,以维持土壤的热平衡。为验证该系统的优越性,以廊坊地区20栋居民住宅为研究对象,基于TRNSYS仿真软件构建传统的“基于跨季节土壤蓄热的太阳能单纯供暖系统”和“基于跨季节土壤蓄热的超算中心余热和太阳能耦合供暖系统”仿真模型。通过比较研究得出：耦合供暖系统在10 a运行期间,土壤平均温度逐年上升,共升高0.73 ℃,系统能耗从开始的3.56×10⁶ kWh降至3.45×10⁶ kWh,COP从开始的3.99升至4.11;单纯供暖系统土壤平均温度逐年下降,在运行至第3年结束时,土壤平均温度下降5.14 ℃,导致地埋管出水长时间处于低温状态,机组停机保护,系统无法正常供暖,在所运行的3 a内系统能耗从4.4×10⁶ kWh增至5.2×10⁶ kWh,COP从3.20降至2.70。以上分析说明超算中心余热和太阳能耦合供暖系统相比太阳能单纯供暖系统增加了超算中心余热跨季节的利用,提高了超算中心的能源利用率,提升了系统的供暖性能,并更加适用于中高层建筑供暖。

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基于改进灰狼算法的定日镜场布局优化方法

谢七月, 刘广帅, 刘瑶, 申忠利, 付强, 周育才

2024, 45(11): 394-400. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1211

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提出一种基于改进灰狼算法的塔式太阳能热发电电站定日镜场优化布局方法,该改进算法将灰狼优化算法与记忆、局部搜索和进化算子相结合,增强了算法的全局性和搜索精度。以西班牙Gemasolar塔式太阳能热发电电站为例验证算法的有效性,使用改进灰狼算法对该电站定日镜场布局优化后,定日镜场光学效率提升5%,证明定日镜场布局经过改进灰狼算法优化后有更高的年平均光学效率。

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液滴群对热辐射吸收性能的研究

袁洋, 张丹, 韩伟, 涂茂萍, 王一笑

2024, 45(11): 401-410. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1234

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采用热辐射直接加热液滴群是海水淡化、光热储能、碳捕集等领域耦合太阳能、实现绿色生产的关键技术。基于几何光学以及热辐射传输理论,针对外部热辐射加热下液滴群内的辐射传递过程建立计算模型。选取棋盘型、棋盘交错型、扇形、随机型4种液滴群空间构型,在液滴吸收系数为1~1000 m^-1、粒径为0.1~1 mm、折射率为1.1~2.0、相对分布密度为0.006~0.461范围内计算分析液滴群对外部辐射的吸收距离、平均升温速率和总体吸收率等吸收性能随液滴群辐射参数和几何参数的变化规律。结果表明：在热辐射加热液滴群的应用中,将液相充分雾化、提高液滴群分布密度、吸收系数的同时适当提高折射率是同步实现快速、高效加热液滴群的有效途径。

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基于自适应时序解耦和气象因素动态影响评估的超短期太阳辐照度预测

臧海祥, 黄海洋, 程礼临, 张越, 孙国强, 卫志农

2024, 45(11): 411-417. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1208

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针对太阳辐射序列具有波动性以及受气象因素影响而导致太阳辐照度预测精度降低的问题,提出一种基于滑动窗口变分模态分解（SWVMD）、自适应图卷积网络（AGCN）和四核时间卷积神经网络（QTCN）的超短期太阳辐照度预测模型。首先利用SWVMD对历史辐射序列进行解耦,实时挖掘不同特征尺度的模态分量,然后将数据集重构为图数据,进而利用AGCN动态评估气象因素的影响程度,最后采用QTCN提取融合后特征序列的多尺度时序特征,实现对未来30 min太阳辐照度的预测。实验结果表明,与LSTM、TCN模型和CNN-Bi-LSTM模型相比,所提出的预测模型能有效提升预测精度。

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基于风速-功率组合分解重构的海上风电功率预测

傅质馨, 王宝池, 刘皓明, 王健, 朱俊澎, 袁越

2024, 45(11): 418-426. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1046

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为提高海上风电功率预测精度,提出一种基于数据组合分解重构和贝叶斯优化的深度学习预测模型。首先,利用改进的自适应噪声完全集合经验模态分解和麻雀搜索算法优化的变模态分解将海上风速数据和历史功率数据进行分解,降低信号波动性和单一分解不彻底对预测结果的干扰。然后,根据分量的模糊熵计算结果进行分组重构,简化模型。最后,对每个功率分量建立基于贝叶斯算法和长短期记忆神经网络的预测模型,将各分量的结果叠加得到海上风电功率预测值。经海上风电实测数据验证表明,与单一的海上风速或功率数据分解预测模型相比,所提出模型可降低原始数据的强波动性对预测结果的干扰,在单步预测和多步预测上都有更高的精度。

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腿距变化下海上风电机组导管架拓扑优化设计方法

张锦华, 杜家政, 龙凯, 姚西山, 陆飞宇, 耿荣荣

2024, 45(11): 427-432. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1055

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为进一步提高海上风电机组支撑结构力学性能,通过调整桩腿距离以改变设计域,提出腿距变化下的导管架拓扑优化设计方法。建立多目标归一化加权柔顺度最小优化目标模型,设置体积比和工程制造加工约束,分析拓扑优化构型变化规律。基于IEC 61400-3规范及有限元分析进行整机极限载荷计算与导管架极限工况分析。以一阶固有频率、最大位移、最大支反力为衡量指标,与NREL 5 MW机组相比,腿距变化下对应设计域的一系列拓扑优化结构在力学各方面性能上更加优越,证明所提出的拓扑优化方法在导管架设计中的可行性和优越性。

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同向旋转与反向旋转涡流发生器在风力机应用分析

赵树春, 郑康乐, 马俊祥, 党政文, 韩建锋, 赵振宙

2024, 45(11): 433-438. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1083

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该文采用转捩模型,首先从平板,然后到NREL PhaseⅥ风力机,对反向、同向涡流发生器（VG）的作用机理进行分析。平板研究旨在从机理上给出同向与反向VG在不同入流风向下的作用机理。通过分析不同转速下的Phase Ⅵ 风力机叶片各剖面流场和输出转矩,来探究三维旋转效应(TDRE）作用下VGs安装方式的影响以及同向VGs的作用机理。模拟结果与NREL试验数据进行对比验证,输出转矩计算结果与试验值吻合良好,最大误差为9.3%。平板研究结果表明,大斜角入流条件下,反向旋转VG作用机理向同向VG方向发展,其扰动作用劣于同向VG。风力机研究结果表明,VG提高了叶片的输出功率,推后了翼型表面的分离点,改善了叶片表面气动流场;TDRE影响下,同向VG的作用效果优于反向VGs。

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基于振动信号的风力发电机组瞬时转速波动特性提取方法研究

万书亭, 张伯麟, 赵晓艳, 张雄, 王燕杰, 王城宇

2024, 45(11): 439-446. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1244

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现有风力发电机组分析主要考虑风速的波动性和随机性引起的转速随机波动。但在实际运行中,由于等效风速引起的输入转矩周期性波动,使风力发电机组的瞬时转速中同时含有随机波动和周期性波动成分。该文基于风力发电机组传动系统振动信号研究其瞬时转速波动特性曲线提取,首先,分析风力发电机组叶轮的瞬时转速波动特性及其在振动信号中的表现;然后,采用同步提取变换算法（SET）获得信号的时频分布并利用脊线搜索算法提取多条时频脊线;最后,通过脊线融合算法对提取的瞬时频率时频脊线进行脊线融合,实现风力发电机组瞬时转速提取与优化,并进一步分析风力发电机组瞬时转速的周期性波动特性。仿真和实验均表明,该方法能够在无转速计的情况下从振动信号中有效提取风力发电机组瞬时转速波动特性曲线,并分析瞬时转速变化特点以及此特点所能映射的转速变化成因。

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弃风限电对风电机组载荷响应及重要部件的影响

王强, 邵昌盛, 岳念西, 郜志腾, 李晔

2024, 45(11): 447-453. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1111

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以海上某5.5 MW水平轴风力机为例,基于数据采集与监控（SCADA）系统历史数据,结合时均化和瞬时高分辨率数据,分析弃风限电对单台风电机组功率和载荷及重要部件的影响。在此基础上,讨论限电会对机组重要结构部件产生的疲劳损伤,并给出防止或减少限电现象发生的建议。研究结果表明：限电降低了机组发电效率和转矩,增加了单位功率所承受的转矩,减缓了功率系数、转矩系数随风速增加而下降的趋势;限电增大了叶片的变桨角度,增加了变桨电机的温度和扭矩波动,大幅限功下叶片变桨角度近似于未限功时的3倍,温度较未限功时增加14%,扭矩波动度较未限功时增加30%以上。此外,限电间接降低了齿轮箱和发电机的温度。

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挡风墙对风力机尾流干扰特性的研究

孙芳锦, 邓富河, 张大明, 曾倩

2024, 45(11): 454-459. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1119

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针对不同排布方式下风力机尾流干扰问题,探寻在有限场地内减小风力机尾流干扰方法。利用数值模拟对不同排布下的风力机尾流干扰进行研究,得到尾流干扰最不利工况以限制场地大小,后加入挡风墙,开展挡风墙放置位置和高度变化对风力机尾流干扰特性的研究。研究得到不同排布方式下的尾流分布,以及加入挡风墙时尾流干扰的风速云图和功率分布规律,发现不同参数挡风墙对尾流干扰的限制影响。研究表明：随着串列干扰间距的增大,干扰效应逐渐减弱;功率随串列干扰间距的增加而增加,在串列间距为3D（D为风轮直径）时干扰效应最大;错列间距越大,干扰效应越弱,尾流恢复变慢,功率随错列间距增加而增加。随着错列间距的增大,干扰程度逐渐减弱,风速损失变小;错列使尾流叠加效应减弱,尾流膨胀减弱。挡风墙距离下游风力机越近时,越能限制上游风力机的尾流,提高下游风力机来流风速;3种高度下的挡风墙,对尾流干扰限制最佳高度为25 m,40 m的挡风墙比10 m的挡风墙效果差。

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基于动量理论的风力机三维工程全尾流模型研究

张萍, 刘洪威, 吴宁宇, 魏玉憧, 李佳根, 石建伟

2024, 45(11): 460-466. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1120

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为综合研究风力机尾流特性,将尾流区域分为近尾流区域和远尾流区域,并考虑风切变效应引起的风速差对尾流速度的影响,提出一种基于动量理论的三维工程全尾流模型（3DFM）。与风场实测数据对比,3DFM模型的近尾流区预测精度高达95.82%,远尾流区预测精度高达95.00%,验证了模型的有效性和准确性。根据来流风不同大气稳定状态修正尾流膨胀系数和风切变系数,详细研究大气稳定状态对尾流速度分布和恢复的影响。研究结果表明大气层越稳定,风切变系数越高,下游相同位置处的尾流区域面积越大,尾流速度恢复得越慢。

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基于MICP技术的海上风电场滩涂软土固化试验研究

朱晨俊, 温小栋, 吴佳育, 温维, 李超恩, 孙志伟

2024, 45(11): 467-476. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1148

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针对基于微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术,研究浆料芽孢杆菌在不同pH值和有无钙源的常温培养环境下菌液浓度随时间的变化情况。以宁波滩涂淤泥为研究对象,考虑滨海相软土特性及边坡结构特点,利用巴氏芽孢杆菌诱导碳酸盐对滨海软土进行固结处理。通过压缩、渗透及雨水冲刷试验,并结合X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）表征结果,从宏、细观角度分析固化效果及抗冲刷性。研究结果表明：在pH值为7.3的环境下,芽孢杆菌生长最快,在培养约48 h后,其浓度达到峰值;Ca²⁺会抑制芽孢杆菌的生长,但在生长前期影响较小,而后期影响较大;菌液浓度为1/100的重塑土经养护7 d后,其压缩系数降低19.58%,渗透系数降低87.34%;雨水冲刷结束后剥蚀率仅为3.9 g/（m²·s）;芽孢杆菌诱导结晶形成填充并胶结于土颗粒之间的CaCO₃晶体聚集体结构,这使得滨海软土具有更好的固结性能、抗渗性能以及坡面抗冲蚀效果提升。

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一种基于MGWO-Informer的超短期风电功率预测方法

王颉, 刘兴杰, 梁英, 薄天利

2024, 45(11): 477-485. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1192

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针对Informer在风电功率预测存在超参数寻优不准确、预测精度较低等问题,提出一种基于MGWO-Informer的超短期风电功率预测模型。首先,为解决传统灰狼进化算法在一些寻优过程中存在求解精度不高、易陷入局部最优的缺点,提出一种增强全局搜索的改进灰狼优化算法（MGWO）,该算法提出新收敛因子策略和阶段性位置更新策略两种改进策略。其次,利用改进后的灰狼算法对Informer模型参数进行寻优,以提高模型超参数寻优的准确性。最后,以中国西北地区某风电场实测数据为例,将预测结果同门控循环神经网络（GRU）、长短时记忆神经网络（LSTM）和Transformer进行对比实验。结果表明,改进后的Informer模型具有较高的预测精度和运行效率,平均绝对误差（eMAE）和均方根误差（eRMSE）分别下降了26.74%和19.74%,拟合系数（R2）提升了1.41%。

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风电叶片用聚氨酯/玻璃纤维混合物热解特性研究

陆燕宁, 金亚伟, 李羲, 陈波, 管诗骈, 岳峻峰

2024, 45(11): 486-495. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1216

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利用热重分析（TG）和管式炉实验对风电叶片基础组分混合物（聚氨酯和玻璃纤维）的热解特性和产物分布进行研究。TG实验表明聚氨酯/玻璃纤维混合物表现出与纯聚氨酯不同的热解行为,且玻璃纤维将延后聚氨酯脱羧反应发生的温度。动力学计算结果表明,聚氨酯含量将对混合物的热解活化能产生更大影响,玻璃纤维则使得纯聚氨酯热解的第二步转变为两个阶段反应,管式炉实验证明聚氨酯与玻璃纤维质量混合比为3∶6时产生的气体有较高的热值。

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V型沟槽结构对叶片气动噪声影响及机理研究

王志, 王紫荆, 王赫鸣, 何佳宁, 孙瑞

2024, 45(11): 496-505. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1223

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为降低风力机的噪声污染,开展叶片表面V型沟槽位置、尺寸、数量对声压级指向性和噪声频谱特性的影响研究。通过分析翼型表面流体流向和涡量分布情况,对V型沟槽结构的降噪机理进行研究。结果表明：在翼型吸力面布置V型沟槽可有效降低叶片的气动噪声,不同V型沟槽参数的影响不同,其中沟槽位于前缘且s（沟槽宽度）=h（沟槽深度）=0.10 mm,n（沟槽数量）=50时降噪效果最好,声压级降低了5.2~11.0 dB,且对高频声压级的影响明显;叶片表面的V型沟槽结构,可减少近壁面流体动能耗散、促进流体的原有流动、延迟边界层分离的发生,还可影响边界层分离处涡的发展与叶片尾迹的空气脉动压力,此外流场时均涡量的变化促进声压波动辐射对声源的衰减作用,由此达到降低风力机叶片气动噪声的目的。

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限功率下基于风电机组状态评价的风电场有功优化调度

魏赏赏, 应夏融, 高岩松, 王伟, 许昌, 霍志红

2024, 45(11): 506-516. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2024-0259

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针对风电场限功率运行模式,提出一种基于风电机组状态评价的风电场有功优化调度方法,以较低的计算复杂度实现风电场的运行优化控制。首先,定义风电机组综合评分体系中的各项指标,并采用模糊熵值法计算机组的功率上调/下调综合劣化度进行排序。然后,根据发电状态对机组进行详细分类,并确定各类机组的功率调节能力。随后,基于风电机组分类和排序,实施风电场有功功率优化调度。最后,基于某风电场的历史数据进行仿真测试。结果表明：所提出的方法在风电场不同的限功率程度下均能实现较高的功率指令跟踪精度。同时,基于机组综合劣化度排序进行功率调度,可有效降低机组间的功率波动差异、载荷疲劳差异和整场功率波动。

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改性生物炭强化餐厨垃圾厌氧消化产沼气性能及作用机制

李美纯, 周彪, 张铁坚, 王秋媛, 张立勇, 刘俊良

2024, 45(11): 517-527. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1227

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制备并探究以农业废弃物玉米秸秆为原料的低温热解生物炭（BC）、酸改性生物炭（SBC）和酸磁复合改性生物炭（MSBC）3种生物炭添加剂在不同添加剂量（1、3、5、7 g/L）下对餐厨垃圾厌氧消化性能的影响及作用机制。结果表明：投加3种生物炭均能提高餐厨垃圾的累计沼气产量,其中投加3 g/L MSBC的试验组促进作用最显著,较空白对照组提高59.13%。产气动力学参数也表明,投加MSBC可显著增大消化系统的产沼气潜力,提高产气速率的同时缩短了延滞期。此外,通过主成分分析（PCA）明确了发酵条件、产气动力学参数和环境因子之间的内在关系,发现可通过改变MSBC的添加剂量,进而调节系统AN浓度与挥发性酸浓度来影响沼气产量。由此可见,MSBC可作为一种有效的生物炭复合材料,通过耦合厌氧消化技术实现餐厨垃圾资源化处理工艺的能源效益与生态效益。

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温度对菊芋秸秆与猪粪共消化特性及微生物群落的影响

汪微, 李屹, 杜中平, 韩睿

2024, 45(11): 528-535. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1488

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采用批式发酵方式,考察菊芋秸秆与猪粪在不同温度（20、25、37 ℃）下共消化特性及关键微生物变化情况。结果表明：不同温度下菊芋秸秆与猪粪共消化时均具有明显的物料协同作用,且共消化能在一定程度上缓解低温导致的甲烷产率低问题。同时,不同温度下共消化的最适配比不同,温度越高最适配比的猪粪含量越高。37 ℃时,菊芋秸秆与猪粪质量配比为1∶4时获得最大积累甲烷产量,为332.29 mL/g VS;而在20和25 ℃时,菊芋秸秆与猪粪配比分别为1∶1和1∶2时最大。微生物分析显示多数优势细菌类群随温度的升高其相对丰度也升高,Syner-01和Chirstensenellaceae-R-7-group等类群在共消化样品中相对丰度较高。温度对古菌群落变化影响显著,随着温度的降低,氢营养型产甲烷菌—产甲烷菌属相对丰度增加;且在不同温度下,共消化系统能够促进不同类型产甲烷菌（甲烷八叠球菌属、甲烷短杆菌属和甲烷杆菌属）的富集。

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基于南海海域的深海温差能利用开发效益分析

吴红华, 杨欣, 李正农, 匡荛

2024, 45(11): 536-544. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1034

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利用Fluent软件对柔性立管中冷海水泵送时的传热过程进行模拟,确定不同材料管道对冷海水出口温度的影响,同等条件下玻璃纤维增强复合材料管（FRP）的冷海水温度比钢管低近3 K,并基于此分析海洋温差能发电系统的经济效益。以FRP管和钢管作为海水立管,FRP管对应系统的平准化度电成本比钢管低23.78%;利用光伏光热一体化（PVT）系统将温海水温度提高5~20 K,结果发现温度越高,平准化度电成本越低,FRP管对应成本下降25.44%,钢管对应成本下降29.48%,钢管系统的优化效果更明显;分析扩大装机功率对系统的成本优化效果,并将提高热源温度与扩大装机功率两种优化方式结合,确定最优组合系统的平准化度电成本相对原始配置降低近50%。

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风浪流联合发电装置涡激振动数值模拟研究

王家正, 孙洪源, 林海花, 焦波, 刘德鑫, 孙光

2024, 45(11): 545-552. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1061

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使用Fluent模拟风浪流联合发电装置的水动力特性。利用UDF和动网格技术实现圆柱振子的流固耦合模拟,分析圆柱振子的涡激振动特性。首先,从受力、运动频率、幅值、轨迹、升阻力系数等5个方面分析风浪流联合发电装置圆柱振子的涡激振动特性;其次,通过对圆柱绕流、强迫运动、单向涡激振动、双向涡激振动等多种运动形态的对比,研究风浪流联合发电装置圆柱振子的涡泄模式。最后通过与J&W的经典实验对比,证明该模拟的准确性。研究表明：单向涡激振动时,振子阻力系数的平均值和均方差均呈先增加后减少的趋势,且在约化速度为5.53~9.51时发生锁定现象;与圆柱振子绕流相比,单向涡激振动的频率比随约化速度的增加而增大,且在锁定区间保持稳定,约为1;来流速度选取锁定区间内流速时,单向或双向涡激振动的尾涡形式由2S模式转变为SS模式。

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H-Darrieus型自启动水轮机定桨距与主动变桨对比研究

于邦廷, 吴勇虎, 张一平, 于广欣, 朱丽宁, 汪小勇

2024, 45(11): 553-560. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1064

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利用CFD软件Fluent 16.0,对直叶片H-Darrieus型水轮机模拟计算叶片桨距角为4°、8°、12°、-4°、-8°、-12°的定桨距情况,以及叶片按正弦模式及半正弦模式主动变桨,变桨幅值为4°、8°、12°的情况,重点对比两种桨距策略下水轮机能量利用率。结果表明,与正弦模式变桨水轮机相比,定桨距水轮机在实际应用中更具优势。半正弦模式变桨水轮机能量利用率提升显著,应重视定桨距策略在实际中的应用。

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低速海流能俘能装置阵列优化布置研究

罗竹梅, 李俊, 郭涛, 杨涛, 晁浩诚

2024, 45(11): 561-569. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1067

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以单圆柱能量转换装置俘能数学模型为基础,构建多圆柱涡激振动能量转换数学模型及多个能量转换器阵列优化布局数学模型。为提高阵列优化效率,首次以俘能功率为目标,采用基于遗传算法的分层优化算法对多个俘能装置进行阵列优化布置研究。在4 m×4 m海域内,分别对2、3、4、5、6、8个能量转换装置阵列布置进行优化计算;通过流固耦合数值模拟方法,对3个俘能装置阵列优化结果进行验证,以分析相互作用因子q的变化规律。结果表明：该优化算法可有效优化多圆柱俘能装置阵列布置,优化后的布置增强了阵列中各装置间的相互作用,显著提高了多圆柱涡激振动俘能装置阵列的发电效率。

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浅水波浪能平台弹性浮筒系泊系统自存研究

张紫昊, 赵国庆, 盛其虎, 耿敬, 李明伟

2024, 45(11): 570-577. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1109

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针对波浪能发电平台布置海域水深浅、台风多发、珊瑚礁地质地基承载力低的特点,以“南鲲号”鹰式波浪能平台为研究对象开展低载荷浅水锚泊系统方案设计和动力学分析研究。通过对全锚链、弹性索与弹性索+浮筒3种不同方案的对比研究发现：相较于全锚链系泊方案,高弹性非线性材料的添加可有效降低系泊张力、起锚力与水平载荷,但会增大平台运动范围;弹性材料与浮筒的联合应用则可在进一步降低系泊系统载荷的同时,限制平台运动范围。在满足经济安全需求基础上,弹性索+浮筒系泊方案在适应浅水恶劣环境方面有着良好预期。

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基于CEEMDAN-LSTM风暴潮潮位预测分析研究

徐楚天, 沈良朵, 班文超, 陈亮

2024, 45(11): 578-585. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1132

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该文采用自适应噪声完全集合经验模态分解-长短期记忆方法（CEEMDAN-LSTM）对风暴潮潮位进行短期时间序列预测,并与常用机器学习模型进行对比分析,结果表明：基于CEEMDAN-LSTM的神经网络对工程区风暴潮潮位的短期特征能进行高精度的预报,其稳定性和精度较常规机器学习模型都有较大的改进。

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基于生成对抗网络的潮流能水轮机水翼优化设计

李昌明, 袁鹏, 王树杰, 谭俊哲, 司先才, 刘永辉

2024, 45(11): 586-594. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1193

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针对水翼的全局优化需大量的计算流体动力学（CFD）模拟进而增加计算成本的问题,提出一种基于生成对抗网络（GAN）和CFD的水翼优化设计框架,利用GAN根据现有翼型库对水翼设计进行参数化,由于GAN的高维生成能力,这种参数化方法仅使用少量的参数即可生成大量光滑逼真的水翼,降低了水翼参数的维度。该优化框架结合Python脚本和OpenFOAM自动完成水翼的网格生成和流体仿真,可得到具有更高升阻比的水翼,优化总时间成本为69.8 h,提高优化效率和精度。此外,将优化水翼应用于潮流能水轮机叶片的设计,结果表明,优化水翼Optc建模的水轮机叶片最佳获能系数提升15.56%,显著提高水轮机的获能性能。

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组合式叶片附加件对潮流能水轮机叶片水动力学特性的影响研究

刘永辉, 裴振, 薛宇, 谭俊哲, 袁鹏, 司先才

2024, 45(11): 595-603. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1232

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为抑制潮流能水轮机叶片根部的边界层流动分离,提高水轮机叶片的发电效率,将格尼襟翼（GF）和涡流发生器（VGs）附加件组合引入到潮流能水轮机叶片设计领域。以NACA63418翼型为对象,分别建立原始叶片、带GF叶片、带VGs叶片、带GF和VGs附加件组合的叶片模型。通过试验和CFD数值模拟相结合的方法,研究单独加装GF和VGs对水轮机三维扭曲叶片的影响效果和作用机理,进而开展GF和VGs组合式叶片附加件对水轮机叶片水动力学特性的影响规律的研究。结果表明：1）对直径为700 mm的原始水轮机叶片,其叶片吸力侧根部容易发生流动分离和径向流动;2）单独安装GF既能改善水轮机叶片根部翼型尾缘处的径向流动,又能增大叶片翼型的后半部分上下表面的压差,且当GF高度为2.0%C时,最佳叶尖速比（λ=5）下的叶片获能系数可提高约1.7%;3）单独安装VGs可通过抑制叶片根部的流动分离,使处在最佳叶尖速比下的叶片获能系数提高约1.0%;4）安装GF和VGs组合式叶片附加件可将单独加装二者的优势充分融合,既能有效抑制叶片根部的流动分离,又能全面增大叶片翼型上下表面的压差,叶片获能系数可提高约1.7%~4.8%,其中最佳叶尖速比下的叶片获能系数可提高约2.5%。

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基于代理模型与Wilson法的低流速下水轮机翼型优化研究

申春赟, 章嘉豪, 丁成林, 王世明, 娄嘉奕

2024, 45(11): 604-611. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1242

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针对中国绝大部分海域平均流速低导致水轮机适用性不足的问题,在低流速下对经过代理模型优化前后的设计翼型进行数值仿真优化研究。基于儒可夫斯基定理对低速潮流能翼型构建模型进行设计,得到相对厚度12%、相对弯度2.5%的原始翼型;通过代理模型设置4阶CST方程进行参数优化。结果表明,厚度较薄、弯度较大的翼型水动力性能更优异,优化后最大厚度点前移4.58%,升阻比提升4.03%,为水轮机叶轮翼型设计在低流速研究工作提供新的思路。

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不同模型倾角的极小曲面复合相变材料熔化特性分析

刘亮亮, 张晓凯, 孙明瑞, 赵佳飞, 吴迪, 张俊

2024, 45(11): 612-618. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1033

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以基于片状Diamond和杆状Diamond结构的复合相变储热单元（TPMS-PCM）为研究对象,建立4个模型,分别为不同模型倾角（0˚、30˚、60˚、90˚）。通过数值模拟的方法,研究模型倾角对相变储能单元储能性能的影响规律。研究结果表明：基于片状Diamond的相变储能单元自然对流较弱,因此其受模型倾角影响较小;在杆状Diamond中,60°模型融化速度比0°模型提高5.9%。

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飞轮储能辅助抽水蓄能机组一次调频仿真研究

乔天舒, 梁双印, 郭鹏, 梁静宇, 柳亦兵

2024, 45(11): 619-626. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1071

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该文给出发电机组的简化频率计算模型、飞轮储能系统、抽水蓄能机组模型,通过数学推导给出飞轮储能系统的容量。对由上述模型组成的区域电网频率特性进行仿真实验。结果表明,飞轮储能系统的加入提高了抽水蓄能机组的调频性能,同时减少了抽水蓄能机组机械部件及结构的频繁动作,提高其可靠性及使用寿命。

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糖醇基复合相变材料的制备及其光热转换与存储性能研究

千存存, 李明佳, 张洪泰

2024, 45(11): 627-635. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1078

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为提高糖醇类相变材料（PCM）的直接光热转换与存储性能,促进其在光热储能方面的规模化应用,该文以木糖醇和赤藓糖醇为PCM前驱体,膨胀石墨（EG）为导热添加物,采用机械混合-熔融真空吸附法制备Xy-in-EG（94 ℃）和Er-in-EG（120 ℃）两种不同温区的高导热、高光热转换能力复合PCM,进一步研究所制备复合PCM的光热转换与存储性能。研究结果表明,当EG含量为25%时,两种复合PCM导热系数最大可达到4.39和3.61 W/（m·K）,相较于原始PCM提高约一个数量级;当EG含量为15%时,复合PCM的太阳能光谱吸收率分别达到84.3%和86.9%,且复合PCM达到封装稳定状态,加热熔融相变时不存在相分离引起的相变泄露等问题。对复合PCM进行太阳能光热转换与存储实验表明,复合PCM Xy-in-15%EG和Er-in-15%EG光热转换效率相较于商业PCM木糖醇和赤藓糖醇分别提升了63.3%和79.5%,Er-in-15%EG的光热存储速率与商业赤藓糖醇相比提高了3.2倍。

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光伏储能侧接口变换器自适应协调自抗扰控制

马幼捷, 庞笑琴, 周雪松, 赵明, 王博, 李苏扬

2024, 45(11): 636-646. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1145

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为提高光伏储能系统的响应速度和抗干扰能力,以储能侧双向DC-DC变换器为研究对象,提出一种基于自适应规则的协调自抗扰稳压控制策略。首先,建立双闭环线性自抗扰控制（LADRC）结构,通过变化控制器参数初始值协调内外环间的影响程度。其次,以规则设计作为参数优化机制对外环控制器参数进行在线自适应调整,进一步提升系统的快速性和准确性。仿真分析及实验结果表明,在保证系统稳定性及不改变调参复杂性的前提条件下,采用自适应协调自抗扰控制策略在信号跟踪性能、抗扰性能、抗噪性能上均优于传统控制策略。

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混合储能辅助火电机组一次调频及其容量配置

严晓生, 刘仲稳, 赵建红, 韩旭, 韩中合

2024, 45(11): 647-654. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1151

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为使火电机组更好地应对新型能源迅速发展背景下对原有电网结构带来的冲击,提升火电机组运行的稳定性、安全性及经济性,基于国内外研究现状,提出锂电池-飞轮控制策略与火电机组区域动态一次调频模型,并研究一定储能容量下飞轮-锂电池混合储能系统容量配置方案,以系统频率波动程度、波动峰值极差、实际贡献电量等指标对调频性能作出评价。通过Matlab/Simulink进行仿真验证,得出在连续扰动下系统频率波动程度为0.00119 pu,频率波动减小30.81%,功率波动减小43.65%,实际贡献电量增加23.17%。结果表明,在火电机组受到外界负荷扰动时,混合储能辅助火电机组调频可有效提高火电机组运行稳定性与经济性。

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单罐复合陶瓷填充床蓄热系统热性能研究

徐佳锟, 杨晓宏, 张燕楠, 张欣宇, 张艺萱

2024, 45(11): 655-662. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1217

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基于1 kW β型碟式太阳能斯特林发电系统,建立三维、瞬态单罐填充床蓄热数值模型。按不同比例制备陶瓷石墨复合材料,通过热物性与机械性能表征,采用m（高炉矿渣）∶m（石墨）=8∶2的复合材料作为储罐填料。结果表明加入填料后不同初始条件下斜温层厚度比纯水蓄热罐可减少37.5~70.0 mm,蓄放热效率提高约6%;通过π定理采用多元回归方法建立斜温层厚度与各初始条件数学模型,分析了入口流速、蓄热温差、罐体高径比、填料等对蓄热罐斜温层厚度的影响,得到斜温层厚度比无量纲函数关系式;蓄热过程增大入口流速、减小颗粒粒径,达到热平衡时间越短。

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基于电流有效值最优的全功率范围DAB统一ZVS控制策略

韩宗峰, 王付胜, 程帅, 张传奇

2024, 45(11): 663-671. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1813

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基于电感电流有效值最优化控制,提出一种新的软开关范围最优化控制策略。该控制策略通过限制开关管动作时的电感电流,既保证了整个功率区间上极大地扩展了软开关范围,减小了开关损耗,同时又具有准最优电流有效值,可进一步提高DAB变换器的效率。同时提出一种新的发波方式,实现桥臂之间的热均衡,最后利用MatLab搭建仿真模型并进行验证。

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基于虚拟直流电机参数优化的混合储能控制策略研究

李嘉辰, 田桂珍, 刘广忱, 韩小宇, 乔顺庆

2024, 45(11): 672-682. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-2055

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为提高独立运行风光储直流微电网系统惯性与阻尼,针对负载、风/光功率波动引起的母线电压波动问题研究基于虚拟直流电机（VDCM）的改进混合储能控制策略。推导混合储能系统的小信号模型,分析VDCM参数对系统的动态性能影响,并给出VDCM参数的合理取值范围。针对传统VDCM控制下参数选取模糊的问题,设计VDCM参数优化控制,采用带精英策略的快速非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）对VDCM参数进行优化,在简化混合储能系统控制的同时解决传统VDCM控制参数选择模糊的问题。研究超级电容端电压自恢复控制策略,使超级电容端电压在系统发生功率波动后能够及时恢复至初始给定值,在保证混合储能合理功率分配的基础上,增强系统惯性,同时防止超级电容的过充和过放。对上述控制策略进行仿真研究,并且搭建基于实时数字仿真系统（RTDS）与快速控制原型（RCP）的硬件在环实验平台进行实验,验证控制策略的正确性与有效性。

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水平地埋管地源热泵系统红外暴露应对策略及其对传热性能的影响

周坤, 张东栋, 李永, 韩旭, 金晓公, 许行宾

2024, 45(11): 683-690. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1222

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提出在水平埋管和地表中间敷设热绝缘层,用于降低地源热泵系统处理防护工程余热过程中的红外暴露风险。首先,综合考虑太阳辐射、长波辐射、对流传热、蒸发潜热以及埋管散热对地表温度的影响,构建水平螺旋埋管绝缘层模型;然后,求得典型工况下有无绝缘层的地表温度分布,分析敷设绝缘层带来的红外伪装效果;最后,探究敷设热绝缘层对系统热性能的附带影响。结果表明：通过敷设热绝缘层,埋管上方地表和周边区域的最大温差可由5 ℃减少至0.3 ℃以内,上方地表温度同周边区域平均温度的标准偏差最大可减少0.71 ℃,系统红外暴露风险大大降低;敷设绝缘层后热泵和系统的平均COP可分别增加0.15和0.09,系统传热性能得到提升;当埋管上方地表热流、埋管出口温度、埋管上方地表同周边区域地表热流或温差为极值时,需着重对系统进行红外伪装处理。

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氢气储运技术发展及展望

廖红波, 张雪霞, 岳嘉玲, 邱丹洛, 唐双喜

2024, 45(11): 691-699. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1020

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首先综述氢气储运技术的发展现状,包括氢气气态储运、液态储运、固态储运及混合储运四大技术;然后基于美国能源部车载储氢指标要求,对比不同储氢技术综合性能,并总结既有氢气运输方式的优缺点;最后对氢气储运技术未来研究方向提出5点建议。总体而言,在氢气储存领域,当前的研究重点应集中在综合性能优越的新型储氢气瓶和混合储氢技术上;而在氢气运输方面,天然气掺氢运输和液氢运输则分别是当前和未来的重要研究热点。

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等离子喷涂制备NiCu电极及其析氢性能

王俊如, 刘太楷, 毛杰, 邓春明, 宋琛, 王寅霄

2024, 45(11): 700-708. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1035

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针对电解水析氢电极材料活性低、稳定性差等问题,开展高稳定性催化材料研究。通过NiCu含量的调整,构筑类Pt电子结构,实现析氢电极材料活性和稳定性提升。采用大气等离子喷涂将不同比例的NiCu混合粉末沉积在Ni基体上,制备可控测试的电极样品,通过电化学测试和物性表征探究Cu含量对Ni电极析氢性能的影响。结果表明：Cu含量的变化显著影响电极样品析氢活性,在30% KOH溶液中,当Cu含量为65%时,驱动电流密度为100 mA/cm²的析氢反应的过电位最低,为400 mV,与纯镍相比,过电位降低了20%以上。且循环2000圈后,电极的催化性能无明显变化,NiCu合金电极在碱性条件下具有优异的稳定性。

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PEMFC系统建模与空气供给子系统氧气过量比的控制

刘岩, 肖纯, 陈静, 伍炜, 吴浩健

2024, 45(11): 709-717. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1081

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针对质子交换膜燃料电池空气供给子系统氧气过量比的控制问题,首先,建立面向控制的质子交换膜燃料电池系统的四阶非线性动态模型,构建电堆负载电流与最佳氧气过量比之间的拟合曲线方程;随后,设计一种采用新型复合趋近律的滑模控制器,并利用沙丘猫群优化算法对滑模控制中的参数进行寻优和整定;最后,对改进后的滑模控制器进行仿真验证,并与PID和其余3种滑模控制进行对比分析。仿真结果表明：当电堆负载电流变化时,改进后的滑模控制器可根据阴极流量偏差参数调节空压机的驱动电压,此时系统实时氧气过量比会迅速向最佳氧气过量比靠近,可将其两者之间的偏差控制0.1%之内,其所需的平均调节时间和误差性能指标均优于对比组。

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基于双重模糊控制的氢-储耦合系统协同优化策略

韩晓娟, 郭思琪, 吕志恒

2024, 45(11): 718-726. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1114

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针对风电并网功率波动和火电机组调峰压力大等问题,提出一种基于多应用场景的风-火-氢-储耦合系统协同优化控制方法。采用变分模态分解算法对风电功率进行分解,根据双时间尺度并网波动率限制和加权灰色关联度平抑风电并网功率波动,利用碱性电解槽消纳富裕电能协助火电机组深度调峰,将产生的氢能用于平滑风电功率波动场景。通过双重模糊控制在优化电化学储能荷电状态的同时提升火电机组的深度调峰能力,对比分析不同应用场景下风-火-氢-电耦合系统的经济性。通过中国某风电和火电机组的实际运行数据仿真实例验证了该文方法的有效性。

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改进蝙蝠算法在优化PEMFC运行参数研究中的应用

毛逸君, 徐洪涛

2024, 45(11): 727-737. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1125

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质子交换膜燃料电池工况参数的优化具有多维度和非线性的特点,因此该文提出一种改进蝙蝠优化算法对其进行优化。首先,在种群初始化过程中采用Tent混沌映射策略,以提高初始种群遍历性和多样性。其次,通过自适应权重策略提高蝙蝠个体速度动态更新能力,避免算法陷入局部最优,并使用4种标准测试函数验证改进算法的优越性。然后,通过正交实验法和熵权法提出一种新的综合性能评价目标,并将其作为智能算法优化目标。最后,将改进后算法和综合性能评价目标应用于质子交换膜燃料电池运行工况参数的优化模拟。结果表明,对于质子交换膜燃料电池运行参数模拟优化,改进蝙蝠优化算法比原始蝙蝠优化算法的优化结果提高了8.6%,说明改进蝙蝠算法具有更好的精度。

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不同铂碳比下PEMFC梯度阴极催化层性能数值模拟

程友良, 丁瑞, 毛绍宽, 樊小朝

2024, 45(11): 738-746. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1173

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建立耦合团聚物模型的二维、两相、非等温的质子交换膜燃料电池（PEMFC）模型,研究在不同铂碳比（Pt/C比）下,阴极催化层（CCL）梯度设计对燃料电池性能的影响。结果表明,当Pt/C比为0.6时,铂载量梯度设计能增强燃料电池性能,但当Pt/C比为0.3时会削弱其性能。而对于铂载量和电解质含量梯度设计,随着Pt/C比降低到0.3,该设计有更低的氧局部传输阻力,使其氧气供应更充足、浓差损失减少、氧饥饿现象消失,从而实现电流密度增幅进一步增大。

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液氢无排气加注特性模拟研究

李建立, 耿银良, 李敬法, 耿金亮, 宇波, 吴小华

2024, 45(11): 747-754. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1238

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为获得对液氢地面无排气加注性能及其影响因素的系统认识,建立二维轴对称液氢无排气加注数值模型,借助Fluent软件研究不同进液温度、进液流量、初始壁温和罐内初始压力对液氢无排气加注特性的影响规律。采用Lee模型和用户自定义程序（UDF）描述液氢在加注中的蒸发、冷凝等相变问题,并考虑气液界面张力。结果表明：在地面加注条件下,液氢储罐内胆中气相空间的压力在加注初期快速升高,然后趋于平稳,到加注后期再次明显增大。当所加入液体温度对应的饱和蒸气压大于容器内部压力时,初期加注将导致闪蒸现象,初始阶段压升显著;进液流量不仅影响加注总时间,还影响加注初期的汽化增压、体系温降程度及加注末期的气氢压缩效应;初始壁温影响加注初期的壁面沸腾增压效应;初始压力对加注初期的压力变化影响较大,当初始压力高于液氢饱和压力时,罐内不发生闪蒸。

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