太阳能学报

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特约主编寄语

2024, 45(4): 1-1.

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抗氧化小分子体掺杂对锡铅钙钛矿太阳电池性能的影响

董婧, 刘辉, 王三龙, 王鹏阳, 赵颖, 张晓丹

2024, 45(4): 2-9. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1429

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锡铅钙钛矿中存在各种缺陷,且Sn²⁺容易被氧化成Sn⁴⁺,从而导致太阳电池的转换效率和稳定性较差。研究发现4-香豆酸（p-C）的引入可显著改变薄膜的表面形貌、有效提高结晶性,且抑制Sn²⁺的氧化,有利于提高钙钛矿层与传输层之间的能级匹配度。通过对钙钛矿光吸收层的缺陷进行钝化,可显著提升太阳电池的光电特性。最终,锡铅钙钛矿太阳电池的开路电压提升65 mV,光电转换效率由18.14%提升至20.37%,并且电池稳定性得到显著提升。

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钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳电池的发展及展望

李彬, 程家豪, 李望南, 彭勇

2024, 45(4): 10-22. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2024-0010

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综述近年来钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳电池的发展现状,介绍钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳电池技术在效率和可靠性方面的优势。从工艺优化、结构协同设计和性能优化等方面对钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳电池进行总结,着重讨论叠层结构的每个子单元太阳电池复杂的协同效应。

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基于金刚线切片的钙钛矿/硅叠层太阳电池

苏诗茜, 应智琴, 陈邢凯, 李鑫, 杨熹, 叶继春

2024, 45(4): 23-29. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1438

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提出一种免空穴传输层的策略,将自组装单分子层材料作为钙钛矿活性层的添加剂,通过一步旋涂法直接将钙钛矿薄膜制备在导电基底表面,其中薄膜的质量与均一性都得到改善。进一步地,将该方法应用在低成本的商用金刚线切片上,可在高粗糙度的硅表面制备出覆盖度高、形貌致密、无空洞的钙钛矿薄膜。在光电性能方面,用该方法得到的单结钙钛矿太阳电池的光电转换效率为21%,填充因子高达83%,两端钙钛矿/硅叠层太阳电池的光电转换效率为28%。

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添加剂提高宽带隙钙钛矿太阳电池的性能

李卓芯, 冯旭铮, 陈香港, 刘雪朋, 戴松元, 蔡墨朗

2024, 45(4): 30-35. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1386

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该文研究聚对苯乙烯磺酸钠（PSS）对宽带隙钙钛矿薄膜及电池的影响。研究发现PSS添加剂可改善宽带隙钙钛矿薄膜的形貌,提升结晶度并减少缺陷态密度,这有利于抑制混合卤素宽带隙钙钛矿薄膜的相分离问题。J-V测试结果表明钝化后的宽带隙钙钛矿太阳电池性能得到明显提升。在掺有PSS的宽带隙钙钛矿太阳电池中,开路电压最高可达1.23 V,效率最高可达20.54%,并且相分离被抑制后的封装钙钛矿太阳电池稳定性显著改善,在一个太阳连续光照500 h后,电池效率仍可保持在初始效率的81.9%（氮气环境,温度40 ℃）。

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纳米结构金属氧化物电子传输层研究进展

靳迦惠, 杨鑫炫, 范琳, 杨丽丽, 杨景海, 王奉友

2024, 45(4): 36-42. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1442

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总结纳米结构金属氧化物在钙钛矿太阳电池中的应用进展,详细介绍纳米结构金属氧化物（包括二氧化钛、氧化锌和二氧化锡等）作为电子传输材料的实例。此外,对纳米结构金属氧化物电子传输层进行掺杂和界面修饰等方面的研究进展加4个介绍。最后,对该类电子传输层的未来发展前景进行展望。

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1,1'-磺酰基双（2-甲基-1H-咪唑）对宽带隙钙钛矿太阳电池性能的影响

戴峣, 王鹏阳, 赵颖, 张晓丹

2024, 45(4): 43-50. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1441

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对倒置结构,带隙为1.68 eV的钙钛矿太阳电池光吸收层掺杂1,1'-磺酰基双（2-甲基-1H-咪唑）,以改善钙钛矿薄膜质量,提高太阳电池性能。空间电荷限制电流（SCLC）测试结果表明,掺杂后的钙钛矿薄膜的缺陷密度明显降低;稳态光致发光光谱（PL）结果表明,掺杂后的钙钛矿薄膜的非辐射复合被显著抑制;最终太阳电池的开路电压达到1.17 V,光电转换效率达到21.42%,在氮气环境下储存1000 h后,未封装的太阳电池仍能保持初始效率的96%,稳定性显著提高。

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乙酸钾修饰界面用于高效稳定的钙钛矿太阳电池

户立文, 胡隆生, 杨亿凡, 李国龙

2024, 45(4): 51-58. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1210

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使用乙酸钾（KAc）修饰电子传输层,正置结构的SnO₂/perovskite界面使用其具有的羧基和碱金属阳离子调节能级。研究发现,KAc薄膜的引入会对钙钛矿薄膜产生一定的表面陷阱钝化作用,表现出非辐射复合的减少以及体内和界面电荷复合的抑制。此外,调节钙钛矿晶体的生长,产生晶粒尺寸从450 nm增至600 nm且无针孔的钙钛矿薄膜,缺陷密度显著降低。结果表明,通过使用KAc来修饰电子传输层,可明显减少SnO₂电子传输层的缺陷及能级差;优化后的太阳电池效率提高7.63%,量子效率（IPCE）从87.3%增大到90.1%。

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正向偏置电压修复钙钛矿太阳电池的研究

郑志江, 王仁杰, 黄少彪, 杭陈旺, 吴炯桦, 程树英

2024, 45(4): 59-64. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1293

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采用偏置电压调控钙钛矿太阳电池离子迁移,抑制钙钛矿离子在界面的堆积、填充太阳电池缺陷,恢复老化太阳电池的性能。在对老化太阳电池引入正向偏置电压修复手段后,太阳电池光电转换效率从老化后的17.8%恢复到21.5%;在100 h的最大功率点跟踪中引入偏置电压修复手段后,获得3.1%总能量增益。通过自主搭建的集成表征环境,原位实时测量偏压修复太阳电池前后太阳电池电学性能和光学特性的变化规律,建立偏压调控钙钛矿离子迁移的物理模型,探究偏置电压修复太阳电池的背后机理。结果表明,该修复策略可通过调控离子迁移,钝化缺陷、优化载流子提取和输运、进而修复太阳电池。

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利用溅射ITO层增强钙钛矿太阳电池的稳定性研究

蒋树刚, 张晨轩, 刘红燕, 刘晔, 于威, 路万兵

2024, 45(4): 65-71. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1360

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为增强以银为背电极的正置结构有机-无机金属卤化物钙钛矿太阳电池（PSCs）的长期稳定性,研究利用射频磁控溅射技术在氧化钼层与银背电极之间沉积一层铟锡氧化物（ITO）来对PSCs进行内封装的技术。为防止ITO层溅射对下方已沉积的钙钛矿层和有机空穴传输层造成损伤,研究ITO层溅射功率和厚度对PSCs光伏性能的影响,获得优化的ITO层制备工艺,发现在ITO层溅射功率为30 W、厚度为40 nm时所制备的PSCs光伏性能最优。为进一步提升PSCs性能,对比溅射法和热蒸发法沉积银背电极对PSCs性能的影响,发现与蒸发法相比,采用溅射银背电极的PSCs光伏性能更佳,其光电转换效率可达到17.86%。PSCs光伏性能的长期稳定性测试和X射线衍射结果分析表明,溅射ITO阻隔层的插入可有效抑制钙钛矿层中的卤素离子与银背电极之间的扩散反应,在不降低PSCs效率的同时可显著改善PSCs稳定性,所制备的PSCs在干燥空气中存放4500 h后仍能保持初始效率的95%。

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钙钛矿太阳电池的离子液体添加剂工程

曾雨熙, 陈建林, 田俏俏, 武子寒, 俱佳尧, 赵威

2024, 45(4): 72-84. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1398

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分析利用离子液体（ILs）提升钙钛矿太阳电池（PSCs）性能的主要作用及原理,然后从调节钙钛矿薄膜的组织形貌、钝化缺陷、稳定钙钛矿相、提高环境稳定性、改善电导率等方面综述ILs作为添加剂应用于PSCs的进展,并展望其未来前景。

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基于蛾眼仿生结构的钙钛矿太阳电池表界面光学调控

沈向前, 韩非, 蒋斯涵, 江舟, 周华

2024, 45(4): 85-90. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1404

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采用时域有限差分法（FDTD）和严格耦合波分析（RCWA）,系统研究蛾眼仿生结构对钙钛矿太阳电池表面和界面的光学调控特性,同时通过等效介质理论（EMT）分析其中的增强机制。结果表明,蛾眼结构的引入可有效打破材料之间的界面限制,使折射率从突变转向梯度渐变,光波可几乎不受阻碍的穿过两种材料的交界面。经过优化调控,表面和界面的光学损失分别从3.52%和3.30%降到0.08%和0.06%,钙钛矿太阳电池的光电响应性能明显增强,转换效率相比平面电池提升14.93%。

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钙钛矿光伏组件成本预测

李彬, 舒安康, 彭勇

2024, 45(4): 91-100. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1432

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针对钙钛矿太阳电池的瓦电成本和度电成本提出计算方法。从钙钛矿光伏组件的生产技术路线着手,结合钙钛矿光伏组件在生产与制造过程中的材料成本、产线成本以及产线折旧等方面对钙钛矿光伏组件的瓦电成本进行计算和讨论。同时对钙钛矿光伏组件的度电成本进行预测,并与火电、水电以及风电的度电成本进行比较,所得结论可为从事钙钛矿光伏组件制造的企业与科研院所提供一定的助益信息。

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MoO₃界面修饰提升刮涂钙钛矿太阳电池性能

果馨, 姚鑫, 刘祖刚

2024, 45(4): 101-106. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1435

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在空穴传输层Spiro-OMeTAD和Ag电极之间引入三氧化钼（MoO₃）空穴修饰层,并研究其对空气中刮涂的钙钛矿太阳电池光伏性能的影响,结合导电性测试、稳态光致发光光谱和水接触角测试等探究其影响机制。实验和测试结果表明MoO₃可提升空穴传输能力和减小界面电阻,同时对下方的Spiro-OMeTAD及钙钛矿起到保护作用,可减缓空气中水氧侵蚀。基于MoO₃界面修饰层的在空气中刮涂制备的钙钛矿太阳电池光电转换效率由15.14%提升至18.30%,尤其是填充因子的平均值由60%提升至76%,电池稳定性得到改善,未封装电池在400 h后仍保持初始效率的90%。

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基于机器学习的卤化物双钙钛矿材料性能预测

张琪鑫, 徐章洋, 冯萍, 涂洁磊

2024, 45(4): 107-115. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1794

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以卤化物双钙钛矿材料为研究对象,利用机器学习方法高速、高精确预测卤化物双钙钛矿材料的带隙和相对稳定性。使用贝叶斯岭回归、梯度提升回归、支持向量回归和XGBoost这4种算法建立模型,分析得出：梯度提升回归可为相对稳定性提供最高性能预测（R²=0.9161,MAE=0.2061）,XGBoost可为带隙提供最高性能预测（R²=0.9899,MAE=0.0542）;采用SHAP方法解释模型后,对元素替换后的新样本进行筛选,最终获得18种光吸收范围理想且稳定性良好的卤化物双钙钛矿。结果表明,相比传统方法,基于数据驱动的机器学习方法可有效加速功能材料的发现,提高设计效率。

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高效柔性钙钛矿太阳电池研究

白建明, 于越, 李治学, 彭飞

2024, 45(4): 116-121. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-2008

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对柔性钙钛矿太阳电池（FPSCs）成膜工艺进行研究,针对在柔性基底上沉积薄膜不均匀、较多缺陷、内部应力等问题,分析其形成原因和影响因素。选择PET/ITO作为柔性基底,SnO₂作为电子传输层,加入KCl进行调控,KCl的加入可增加电子传输层与柔性导电基底的亲和性,从而获得致密且缺陷较少的膜层。通过优选钙钛矿前驱体各组分配比,加入MACl作为添加剂调控结晶过程,并在钙钛矿表面设计PEAI钝化层钝化界面,获得高质量的钙钛矿结晶和致密表面,并使电池的柔韧性能得到提升。在适宜的环境下,制备认证效率达到23.14%的柔性钙钛矿太阳电池,其在弯折10000次后仍能保持80.48%的初始光电转换效率。

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反溶剂对CsPbBr₃太阳电池性能的影响

陈莹, 李富强

2024, 45(4): 122-126. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-2169

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分别在钙钛矿前驱体中添加一系列的反溶剂乙酸乙酯（EA）和乙腈（ACN）,制备出不同形貌的CsPbBr₃薄膜,探究薄膜质量与太阳电池性能的内在联系。结果表明,在大气制备环境中,反溶剂有助于CsPbBr₃晶粒的生长,薄膜表面缺陷明显减少,太阳电池各性能参数（短路电流密度、开路电压以及填充因子）均有所提升,尤其是添加乙腈（V（PbBr₂/DMF）∶V（ACN）=10∶1）后,光电转换效率（PCE）从3.16%提高到7.10%。

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基于PSO-XGBoost的风电叶片缺陷分类算法

郑浩, 贾展飞, 周丽婷, 王晫

2024, 45(4): 127-133. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1862

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针对风电叶片缺陷回波信号分类效率低的问题,提出粒子群-极限梯度提升（PSO-XGBoost）算法。首先采用变分模态分解（VMD）结合模糊熵的方法对缺陷回波数据进行特征提取,建立XGBoost多分类模型,在此基础上采用PSO算法对XGBoost超参数进行寻优,建立PSO-XGBoost多分类模型。这种PSO、XGBoost相结合的算法可提高风电叶片缺陷的预测精度、减少缺陷分类的误差。通过仿真,对PSO-XGBoost、XGBoost及其他几种机器学习算法进行对比,结果表明PSO-XGBoost算法准确度最高,其缺陷分类准确率可达98%。由此可见,采用PSO-XGBoost算法可有效提高风电叶片缺陷分类的准确率。

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基于球形静力触探的嘉兴海域软黏土强度特性研究

王宽君, 汪明元, 沈侃敏, 王栋, 王新泉

2024, 45(4): 134-142. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1865

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针对海上风力机基础设计中的软黏土强度评价问题,通过在浙江嘉兴海域开展球形静力触探试验和室内试验,标定得到适合中国浙江嘉兴海域淤泥质粉质黏土的球形静力触探因子N_ball。采用固结快剪试验结果标定得到的N_ballDS范围为6.70~14.91,总平均值为10.58,标准值为10.91;采用三轴UU试验结果标定得到的N_ballUU范围为7.75~23.75,总平均值为17.44,标准值为19.03。采用标定得到的N_ball值可较好地解译嘉兴海域软黏土的强度,建议采用三轴UU试验结果标定得到的N_ballUU的标准值19.03作为强度下限值解译参数,采用固结快剪试验得到的N_ballDS的标准值10.91作为最优强度（中值）解译参数。

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基于残差网络的风电机组基础健康监测数据修复研究

魏焕卫, 宋志鑫, 雷树立, 惠俊梅, 郑晓

2024, 45(4): 143-150. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1884

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为精准有效地修复连续性异常数据,提出一种基于残差块优化卷积神经网络的残差网络数据修复模型。以乳山风电场的风电机组基础健康监测数据为例对模型进行工程验证。同时选取具有修复功能的多种模型对实际异常数据进行修复验证,并对所有模型的性能以及自身的修复精度进行对比分析。结果表明：ResNet模型避免了FCN以及CNN模型存在的缺陷,提高了数据修复的精度;ResNet模型适用于缺失或异常比例低于30%的数据修复;ResNet模型修复实例的结果符合数据变化趋势,能较好吻合监测数据的原始曲线。

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海上风电打桩系统动力学建模与冲击动力特性分析

潘怡, 冯小星, 曹春潼, 梅卫东, 严岩, 孙蓓蓓

2024, 45(4): 151-158. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1907

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基于LS-DYNA建立3500 kJ海上风电打桩系统拒桩工况下的有限元模型,基于应力波原理分析打桩系统内部能量的传递和各部件的动力学响应。同时基于牛顿碰撞理论建立打桩系统的集中参数模型,该模型综合考虑各部件的质量和刚度,和有限元模型的分析结果较吻合。从而在该集中参数模型的基础上,分别分析替打刚度、替打和锤质量比、替打环刚度对打桩系统冲击力的影响规律,表明冲击力的主要影响参数为替打刚度。

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基于力矩传递模型的风力机叶片颤振抑制方法

陈沛, 刘惠康, 柴琳, 周楠

2024, 45(4): 159-165. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1919

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针对永磁直驱水平轴风力机叶片颤振现象,建立叶片-传动轴-电机旋转平面内的振动力矩传递模型,计算叶片侧扰动力矩以及归算到电机侧的扰动力矩,并通过控制电机转矩,在电磁转矩上叠加一个与该侧扰动力矩大小相等、方向相反的控制力矩,使其通过力矩传递模型抑制叶片颤振,同时对引起轴系谐振的电机转矩成分进行陷波滤波处理,以此抑制轴系谐振。最后通过仿真和实验验证上述方法的有效性。

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前缘圆柱对风力机翼型气动性能及冲蚀磨损影响研究

李德顺, 胡智豪, 赵慧廷, 吴朝贵, 范强强

2024, 45(4): 166-173. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1922

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为研究风沙环境下流动控制方式对于NACA 0012翼型气动性能和冲蚀磨损的影响,通过在风力机翼型前缘布置微小圆柱来控制气流流动,采用离散项模型和SST k-ω湍流模型对控制翼型进行数值计算。结果表明：攻角较小时,微小圆柱处于X=0.04、Y=-0.03位置时控制效果最佳,可抑制流动分离,相比原翼型升阻比提高149.72%;微小圆柱处于X=0.02、Y=-0.02位置时翼型冲蚀磨损的减小量最大,相比原翼型减小97.66%;微小圆柱处于最优区域时翼型升阻比提高的同时冲蚀磨损量也会减小。

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基于布谷鸟算法的风电机组装配序列优化

冀佳奇, 王永, 黎响

2024, 45(4): 174-180. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1924

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装配序列规划（ASP）是风电机组制造的重要技术。ASP是一个组合优化问题,风电机组最优装配序列的搜索空间和计算量均很大。提出基于布谷鸟算法的风电机组装配序列优化方法。首先,从三维装配体模型中提取多种装配约束信息并表示成装配约束矩阵,以降低最优装配序列的搜索空间;继而构造装配序列目标函数,建立装配序列规划模型,方便算法计算出最优装配序列;对离散布谷鸟算法（DCA）改进,求解ASP模型,获得风电机组产品的最优装配序列。最后通过实验验证了ASP模型的有效性和DCA的优良性能。

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基于GSA的风电叶片主梁初始损伤的敏感因素分析

孙宁, 周勃, 郑皓成, 李晖

2024, 45(4): 181-189. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1929

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针对风电叶片主梁褶皱缺陷演化为初始损伤模式的不确定性问题,采用高斯概率分布函数确定7个因素的分布信息,根据褶皱缺陷在拉伸加载时的应力数据,改进Sobol'算法采用拉丁超立方法获取样本点训练BP神经网络,采用Kullback-Leibler散度计算最大和非最大损伤处的应变余能密度相对熵,分别作为基体开裂和纤维断裂的敏感度响应指标。结果表明,基体损伤和纤维断裂的高敏感因素均为载荷幅值、纤维含量、基纤模量比和褶皱高宽比,但基纤模量比与褶皱高宽比的排序有所不同,说明叶片主梁材料性能和缺陷特征形貌对初始损伤模式的作用程度不同。最后建立含褶皱的GFPR层合板有限元模型,模拟结果验证了全局敏感度分析方法的准确性。

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串列不等直径水平轴风力机气动性能研究

岳健, 李永坤, 张辰源, 苏少华, 姜宜辰

2024, 45(4): 190-196. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1935

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为研究上游风力机叶轮直径增大和轮毂高度抬升对下游风力机气动性能影响,采用计算流体力学方法对串列水平轴风力机三维流场进行模拟,以揭示上游风力机叶轮尺寸增大和轮毂高度抬升对下游风力机气动性能影响规律。研究结果表明：增大上游风力机叶轮直径,会削减下游临近机组输出功率,增加机组在低频,1倍、2倍、3倍轴频推力脉动,增大机组疲劳载荷;随着风力机间距的增加,增大叶轮直径对12D范围外机组输出功率影响可忽略不计,但机组疲劳载荷在低频和1倍轴频仍有明显的增大。抬高上游机组轮毂高度,机组较近时,可使下游风力机避开一部分尾流,显著提高下游风力机的输出功率,但也会使风力机叶轮在旋转一周过程中产生较大的叶片推力脉动;当风力机间距较远时,抬高塔架高度有利于尾流恢复,进而提高下游机组输出功率,降低机组疲劳载荷。

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考虑大气稳定度的典型复杂地形风场CFD模式

孙壮, 李树民, 朱蓉, 郑丹, 刘伟毅, 高建勇

2024, 45(4): 197-205. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1944

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为评估中国典型复杂山地风资源,实现风资源的高效利用,结合雷诺时均的k-ε两方程模型、大气粗糙度壁面函数和热浮力作用,提出能模拟不稳定、中性和稳定状态复杂地形风场特性的大气CFD模式,并针对湍流参数、大气粗糙度对风速廓线的影响进行参数化研究。采用两种方式驱动CFD模式：一种是通过来流上游的实测风速廓线驱动CFD模式,一种是通过WRF模式输出风速廓线和温度廓线驱动CFD模式。利用山西神池南桦山丘陵山地测风数据进行大气CFD模式验证,通过WRF-CFD耦合仿真研究山地公里级范围热浮力作用对风场的影响,详细对比不同热浮力作用下的大气CFD模式仿真精度。结果表明大气CFD模式能准确地模拟不同稳定度状态下的山区大气风环境,但对于不稳定状态下山后风场的模拟能力稍差。

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双定子无刷双馈风力发电机无速度传感器反步法直接功率控制

朱连成, 肖阳, 苏晓英, 金石, 陈晓红

2024, 45(4): 206-213. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1946

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针对双定子无刷双馈发电机,将内外功率绕组及内外控制绕组分别同相串联以保证电磁一致性。基于Lyapunov和Popov稳定性理论,采用反步法和模型参考自适应系统设计一种无速度传感器的反步法直接功率控制策略,利用空间矢量脉宽调制（SVPMW）以固定开关频率驱动控制绕组机侧变流器IGBT,以减小功率绕组功率波动及电流总谐波畸变率。通过12/8极50 kW样机控制系统的特性仿真研究,结果表明：所提控制策略在亚同步~超同步的速度变化范围内,可实现变速恒频发电、最大功率跟踪、无功功率及单位功率因数控制,电流总谐波畸变率约为2%。

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适用于全故障类型的双馈风电场送出线负序电流纵联保护方案

岳清, 束洪春, 孙士云, 冯海洋, 张丕豪, 陈有为

2024, 45(4): 214-225. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1947

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随着双馈风电机组（DFIG）并网容量的增加,给风电场送出线继电保护的整定带来新的挑战,保护动作性能下降甚至会出现拒动和误动的风险。为此,首先分析双馈风电机组负序电流分量特征;然后进一步分析风电场经交、直流并网时交流送出线两侧电流的特征差异,提出一种适用于双馈风电场送出线的负序电流分量纵联保护新方法。该方法利用双馈风电场送出线两侧负序电流的幅值比和相位差构成保护动作判据,同时,利用数据延时在对称故障下构造出负序分量,使其能适用于风电场送出线的各种故障类型,且具有灵敏度高、耐受过渡电阻能力强等优点。最后,在Matlab/Simulink和PSCAD/EMTDC中搭建双馈风电机组电磁暂态仿真模型,仿真分析保护方案在交直流送出线上的适应性。

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中国典型复杂地形风能资源特性及其形成机制

朱蓉, 向洋, 孙朝阳, 常蕊

2024, 45(4): 226-237. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1952

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为提高对复杂地形风资源特性及其形成机制的认识,改进复杂地形风场数值模拟方法,分别选取代表极大起伏山地与宽谷地形的藏南谷地、代表极大起伏山地与深谷地形的横断山区以及代表中、小起伏丘陵山地的山西高原开展风资源特性观测实验,分析不同典型复杂地形条件下天气背景风场、局地大气环流、地形动力强迫、地表摩擦与热力作用对风资源特性形成的贡献,结果表明：山西高原局地大气环流的作用较小;藏南谷地和横断山区的山谷风环流对其风能资源特性的形成起主要作用,尤其是横断山区还存在多尺度的局地大气环流,传统的风电场风资源CFD数值模拟不足以描述如此复杂的风场。因此,在局地大气环流作用明显的复杂地形地区,需要采用中尺度与CFD结合的风电场选址风资源数值模拟方法。

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无源数据约束下多源域自适应的风电齿轮箱故障诊断方法

吴宣勇, 黄忠全, 李琪康, 汤宝平

2024, 45(4): 238-246. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1953

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针对在数据隐私和安全性的背景下,无法接触源域数据导致领域自适应方法不可用的问题,提出一种无源数据约束下多源域自适应的故障诊断方法。首先,通过信息最大化损失促使源域与目标域数据在特征空间进行对齐;然后利用自监督伪标签策略挖掘目标域数据的特征表征信息,并采用熵筛选策略抑制噪声伪标签的影响;最后通过自适应加权有效利用多个源域的知识并抑制负迁移影响,实现无源数据约束下的风电齿轮箱的故障诊断。通过动力传动综合实验台数据和某风场风电机组CMS数据对所提方法进行验证与应用。结果表明：所提方法仅利用预训练的源域模型和目标域无标签数据即可有效实现目标域风电齿轮箱故障诊断。

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融合寻优算法的双馈风力机控制参数分步辨识方法

徐恒山, 李颜汝, 李文昊, 薛飞, 王伟

2024, 45(4): 247-256. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1964

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为获得准确的双馈风力机（DFIG）控制参数以提高电力系统机电/电磁仿真分析和计算的准确性,将长短期记忆（LSTM）神经网络与改进粒子群（IPSO）算法相结合对DFIG的控制参数进行辨识。首先,利用RT-LAB平台通过硬件在环（HIL）实验获得真实DFIG控制器的响应数据集;其次,为避免无关特征干扰LSTM模型的预测结果,利用最大信息系数提取出DFIG中高相关性的观测量特征;在此基础上,为提高算法的寻优速度,利用LSTM初步寻优到DFIG控制参数的初始值与搜索范围;最后,通过IPSO算法精确辨识出DFIG的控制参数,提高了辨识算法的寻优效率和精度。HIL测试结果证实了LSTM-IPSO辨识方法在20%~80%低电压穿越工况下具有良好的适应性,并能有效提高DFIG控制参数的辨识精度。

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风力发电塔基础预应力锚栓T型法兰连接系统计算方法研究

陈俊岭, 赵康, 冯又全

2024, 45(4): 257-264. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1967

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由于锚固区域基础刚度的影响,风力发电塔基础预应力锚栓组件受力不同于塔筒钢管间锻造法兰连接系统。基于Petersen计算方法的原理,推导出适用于预应力锚栓式风力机基础的计算方法,建立包含锚栓组件在内的单区隔和整体有限元模型研究基础约束刚度的空间效应。通过对单区隔和整体有限元计算所得锚栓拉力的对比发现,基础约束刚度的空间效应可忽略不计;通过对整体有限元模型计算结果和工程算法计算结果的对比,验证了工程算法的精度。

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排水方式及加载条件对三筒型基础水平承载的影响

陈力, 赵宝祥, 刘贤玉, 王文龙, 尹彦坤, 张浦阳

2024, 45(4): 265-271. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1968

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以三筒型基础为研究对象,分析吸力筒筒高、加载角度、加载速度以及排水条件对其承载性能的影响。研究表明,在其他3种影响因素不变的情况下,随着筒裙高度的增大,三筒基础的水平承载力提高;不排水条件下,加载速度明显影响筒型基础水平承载力和筒内孔隙水压力,排水条件下加载速度对筒型基础的水平承载力影响有限;加载角度不同,筒型基础的水平承载力最大增加1倍;不排水条件较排水条件可致使水平极限承载力最大增幅达149%。因此,实际工程中,沉放三筒型基础后,宜关闭筒顶阀门,有助于筒型基础保持较好的水平承载能力。

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基于鸮翼特征的曲线形尾缘锯齿翼型气动噪声研究

陈坤, 冯文慧, 张智杰, 郝振华, 赵鹤, 穆耶赛尔·麦提喀斯木

2024, 45(4): 272-279. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0279

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受到鸮类“静音飞行”的启发,将猫头鹰羽毛特有的曲线锯齿结构应用到三角形锯齿齿边,设计曲线形尾缘锯齿翼型,探究仿生锯齿结构的降噪潜力。以NACA0018翼型为原型翼型,通过大涡模拟（LES）与FW-H声类比方程相结合的方法,分析原型翼型、仿生曲线形锯齿尾缘翼型和传统三角形锯齿尾缘翼型的气动声学特性。结果表明,仿生曲线形锯齿尾缘翼型在声指向分布的所有方位角的总声压级均有降低,相比于传统的三角形锯齿尾缘翼型,噪声值最高能降低3.77 dB。压力脉动云图和流向速度的湍流波动分布结果表明,仿生曲线形锯齿可有效抑制尾缘附近的压力脉动,显著减小齿中部的湍流波动,从而降低翼型的气动噪声。

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典型生物质发酵制取燃料乙醇环境影响分析

沈钊丞, 仲兆平, 郑翔, 汪维, 潘小天

2024, 45(4): 280-285. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1886

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结合生命周期评价方法与层次分析方法对杨木、玉米秸秆、甘蔗渣3种典型纤维素生物质的发酵制取燃料乙醇工艺进行环境影响评价。针对酸化、富营养化、全球变暖、化石能源消耗、光化学污染、人体毒性6种环境类型进行分析对比,并选取3个不同视角分析生物质发酵工艺所带来的环境影响。结果表明：农业阶段和生产阶段所产生的温室效应在全生命周期过程中占比最高;全球性视角下,全球变暖影响占比较高;区域性和局地性视角下,工艺的酸化影响最严重。

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煤-生物质共热解非催化协同效应特征及机理研究进展

钮志远, 刘桂建

2024, 45(4): 286-295. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1897

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对近年来煤-生物质共热解研究中判定是否发生协同效应及协同效应发生强度的4个指标,即温度范围、热重曲线、表观活化能及热解产物的产率及组成进行总结,并概括包括内在因素和外在因素在内的多种影响因素对煤-生物质共热解非催化协同效应的影响,对煤-生物质共热解非催化协同效应反应机理方面的研究进展和成果进行简要评述。最后提出未来煤-生物质共热解非催化协同效应特征和机理研究中可能面临的挑战。

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波浪发电系统功率优化LQG滑模控制

黄逸, 杨俊华, 林汇金, 梁昊晖, 罗琦, 王超凡

2024, 45(4): 296-301. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1109

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直驱式波浪发电系统浮子位置和速度存在物理约束,基于线性二次高斯控制,提出约束反馈优化功率方案。通过流体力学工具得到辐射力数据,建立系统状态空间模型。采用标准卡尔曼滤波器获得系统全状态量信息,构建最小性能指标函数,计算状态反馈增益;考虑建模误差,设计滑模控制器,利用Lyapunov函数证明系统稳定性,补偿系统模型失配时的状态量偏移及功率损耗;离线计算反馈增益并调整滑模变结构控制参数,降低控制策略复杂性。仿真结果表明,所提控制策略动态性能好、鲁棒性强,能保证物理约束并提升系统输出功率。

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大型地埋管群地源热泵三维传热-渗流耦合模拟

王洋, 张丰收, 鲁克文, 孙婉

2024, 45(4): 302-310. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1859

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为确定地下水渗流对大尺度、多分支埋管集群地源热泵系统换热区温度场和换热特性的影响,基于上海天文馆880个地埋管地源热泵场地,建立考虑地下水渗流和地质分层的三维传热-渗流耦合模型,并利用现场热响应试验对模型进行验证。结果表明：渗流作用引起管群内和支管群之间沿地下水流动方向发生温度干扰,89.5~120.3 m埋深范围内的温度干扰现象相对明显;地下水渗流有利于提高管群的换热总量,缩小夏季和冬季工况的换热量差距;换热量增加百分比随水力梯度的增加而增大,两者呈对数函数关系,当水力梯度大于0.005时,换热量增加百分比趋于平稳。

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基于改进粒子群算法的中深层地源热泵供暖系统运行优化

张俊峰, 徐继军, 徐建伟, 信敏, 张健

2024, 45(4): 311-317. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1900

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构建变工况运行且包含蓄热装置的中深层地源热泵供暖系统,基于改进粒子群算法,分别以运行费用、系统COP和地热能利用系数为目标函数对系统运行进行优化,并对优化结果进行比较和分析。结果表明：对应目标函数优化后的运行费用、系统COP和地热能利用系数分别为279.27元、6.4420和0.8527。以系统COP为目标函数的优化效果与运行费用相反,而与地热能利用系数相近。

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储能系统锂电池电热耦合建模及参数辨识方法研究

龙潘, 耿光超, 江全元, 马福元, 赵宇

2024, 45(4): 318-327. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1860

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针对电化学机理模型存在全阶结构复杂度高、电池温度变化过程无法精确描述的问题,该文提出将简化电化学模型与热力学模型耦合,建立简化电化学-热力学耦合模型,通过智能辨识算法获取模型相关参数。实验表明,该方法建立的模型在宽环境温度范围、常用放电倍率工况下仿真曲线与实际测试曲线的拟合效果较好,能较好地描述电池电压、电流和温度变化。该模型以较低的模型复杂度和较高的模型精度描述电池内部电化学、热力学行为,可支撑电池状态估计和剩余寿命预测研究。

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基于MPC的耦合电感飞跨电容双向DC/DC变换器功率均衡解耦控制策略

樊启高, 刘柳, 毕恺韬, 艾建

2024, 45(4): 328-337. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1868

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耦合电感功率变换器因耦合电感阻抗、电感值等参数差异易导致功率不均衡。针对耦合电感飞跨电容双向DC/DC变换器,提出一种基于模型预测控制（MPC）的功率均衡解耦控制策略。通过对变换器原理进行分析,建立基于电感电流解耦的数学模型,得到包括电感电流和飞跨电容电压等6个控制变量的解耦控制方法。在此基础上,提出基于MPC的功率均衡解耦控制策略。同时,为降低MPC算法的运算负荷,根据解耦控制模型重构模型预测价值函数,实现各控制变量独立动态寻优,使系统能在稳定控制输出电压及飞跨电容电压的同时,实现两相耦合电感的功率均衡控制。最后,通过理论分析及实验对所提策略进行有效验证。

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储能调频控制参数自适应优化与退出机制设计

杨永辉, 谢丽蓉, 包洪印, 马伟, 孙金辉

2024, 45(4): 338-346. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1908

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为解决储能控制参数设置不当引起的频率稳定性问题以及储能调频效果和循环使用寿命难以平衡的问题,提出一种储能调频控制参数自适应优化与退出机制设计方法。首先分析储能下垂、虚拟正（负）惯量系数对系统频率动态性能及稳定性的影响,得到参数稳定变化的范围;然后,根据控制参数稳定变化区间,设计含虚拟负惯量的模糊自适应控制方法,实现控制方式之间的平滑切换和优势互补,加快频率恢复;再则,利用Logistic函数设计考虑储能荷电状态（SOC）的自适应反馈控制策略,同时引入储能退出机制,反馈调节优化储能出力,以期解决储能调频效果和循环使用寿命难以平衡的问题。最后,在Matlab/Simulink仿真平台上进行仿真验证,验证所提策略的有效性及对频率的改善作用。

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飞轮储能参与风电平滑的自适应滤波算法及无传感器控制

郑顺河, 孟克其劳, 张建功, 梁开彪

2024, 45(4): 347-355. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1940

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通过对风电系统和飞轮储能系统运行特性的分析,针对飞轮转子设计难以安装位置传感器的特殊性问题,提出一种基于自适应非奇异快速终端滑模观测器的飞轮储能无传感器控制策略,提高转子位置角估计精度。此外,针对飞轮储能系统参考功率指令滞后的问题,在无传感器控制基础上,引入自适应滤波算法作为飞轮储能控制系统的功率给定,以减小功率指令滞后现象。在Typhoon HIL 602+仿真平台进行实验验证,结果表明：飞轮储能系统运行性能良好,观测器具有优越的估计性能,能满足飞轮快速充放电并有效平滑风电功率波动的控制需求,同时提高储能利用率。

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复杂工况下储能飞轮转子传力支承与减振设计

林大方, 王四季, 王程阳, 刘源, 陈佳窈

2024, 45(4): 356-364. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1957

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针对复杂工况下飞轮转子上、下传力支承角接触球轴承与支座间隙配合导致的振动问题,以及真空环境下振动控制问题,提出飞轮转子上支承采用圆柱滚子轴承,下支承采用深沟球轴承+成对角接触球轴承联合传力支承方案,解决了复杂工况下轴向力调整、磁轴承失效、轴向力平衡、支承刚度连续、支承系统变形协调等结构设计难题。同时引入一种主控式弹支干摩擦阻尼器（ESDFD）,抑制转子径向振动。采用有限元法建立ESDFD-储能飞轮转子系统耦合动力学模型,计算飞轮转子动力学特性,分析单/双阻尼器对转子振动的控制效果。结果表明：针对转子一阶、二阶模态振动,采用单/双阻尼器控制方式,最大响应均低于30 μm,减振比超过90%。

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与核反应堆耦合的新型制绿氨模型

黄靖钟, 刘斌, 潘良明, 朱隆祥, 邓佳佳, 折晓会

2024, 45(4): 365-372. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1933

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氨气是高效氢能载体,可有效解决氢能载运过程中安全性和经济性难题。核能-碘硫热化学循环制氢是实现无污染大规模工业制绿氢的可行途径。目前对核能-碘硫热化学循环制氢的研究集中于核热耦合问题,未考虑氢气产生后的载运问题。基于此,提出一种核-氨-氢新模型。此模型首先进行核能制氢,再通过核热将其转化为氨气,优化核热的梯级利用并解决氢储运问题。通过Aspen Plus软件模拟全流程,分析能耗、效率和成本。

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基于萤火虫优化模糊P&O的微生物燃料电池最大功率点跟踪

樊立萍, 陈其鹏

2024, 45(4): 373-381. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1959

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针对微生物燃料电池产电量低、输出不稳定等问题,提出一种混合萤火虫优化和模糊改进扰动观测的最大功率点跟踪算法,利用双种群萤火虫算法的全局优化能力和模糊控制的逻辑推理能力产生更精确的控制信号,通过Boost变换器对等效负载进行动态调节。结果表明：基于双种群萤火虫优化-模糊扰动观测的最大功率点跟踪算法能以更快的速度追踪到并稳定在最大功率点,降低了稳态误差,抑制了功率振荡,提高了抗干扰能力,显著改善了微生物燃料电池的产电能力和供电质量。

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光火打捆直流送出环境下系统宽频振荡机理及特性分析

马燕峰, 赵茜, 赵书强, 李然, 高丽

2024, 45(4): 382-393. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1864

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针对大规模光伏和火电打捆经传统高压直流输电（LCC-HVDC）送出系统并网引发的宽频振荡问题,首先,建立状态空间模型和阻抗模型,并证明简化火电模型无法体现光火和直流交互作用模式,需采用六阶详细火电模型,进而在此模型基础上用特征值法计算出系统可能存在的振荡频率;其次,通过阻抗法分析系统宽频振荡和交互作用机理以及参数变化对系统振荡模式的影响;最后,通过PSCAD/EMTDC平台验证系统宽频振荡机理及影响因素作用效果的正确性。结果表明：宽频振荡是在某些频段下由系统的负阻尼特性所引发;元件参数的改变会通过影响系统阻尼改变宽频振荡幅值,进一步给出滤波器及换流器的合理参数范围。

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考虑风电条件风险的水火风联合调度模型及求解

张彬桥, 张松甲, 冉远航, 李述喻, 杨文娟, 余泽发

2024, 45(4): 394-403. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1875

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在“双碳”战略和高比例可再生能源并网政策背景下,为准确量化风电等新能源消纳成本及其随机性造成的风险损失以支持电力调度决策,采用CVaR建模风电随机性造成的弃风和弃负荷条件风险值,并应用Copula函数计算连续马尔可夫链风速模型预测风电出力,建立风电不确定风险损失、发电成本和污染排放最小的水火风电短期多目标调度模型。并通过可变外部种群规模、增强局部搜索能力和基于K近邻距离的精英种群淘汰规则3方面改进SPEA2算法以对该模型进行高效求解。仿真结果显示CVaR能很好建模风电不确定风险,并通过改进SPEA2找到更好的Pareto最优解集。

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风光储参与电网预防-紧急控制策略研究

万庆祝, 袁润娇, 李伊梦, 李治萱

2024, 45(4): 404-415. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1890

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基于风光储有功功率连续平滑调节能力,提出一种风光储协同切负荷优化的电网预防-紧急控制策略。首先,分析风光储参与电网预防-紧急控制原理,给出风光储参与电网预防-紧急控制策略。在故障发生前通过削减风光出力预留有功备用容量,通过调整发电机机组出力、储能充放电状态平抑风光出力改变引起的系统功率波动;在故障发生后,优先考虑风光预留有功备用量填补系统功率不平衡量,若风光预留有功备用量不足,则采取切负荷措施进行紧急控制。然后,综合考虑风光有功备用成本、预防、紧急控制措施成本,分别建立风光储参与电网预防、紧急控制模型,采用Matlab/CPLEX求解模型。最后在改进IEEE 39节点系统进行仿真验证本文所提控制策略的有效性。

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基于暂态导数极性分段优化的VSG二次调频控制策略

王晓寰, 刘明阳, 赵晓君, 姜威

2024, 45(4): 416-422. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1921

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二次调频能使电力系统在一次调频过程中始终满足频率稳定的要求。采用虚拟同步发电机VSG控制策略的并网逆变器在离网运行时仅具备一次调频特性,若VSG的输出频率超出安全工作区间时将会对微电网的稳定运行产生影响,因此,需在有功控制环加入固定积分系数来实现频率无差控制的二次调频,但传统二次调频存在恢复时间与频率振荡的固有矛盾。提出一种根据暂态导数极性分段优化的改进VSG二次调频策略,该策略基于频率恢复特性,将频率恢复过程划分为2个阶段,并分别配置不同的积分系数,使得整个频率恢复时间缩短,且避免了频率的振荡,并给出了所提方法关键参数的设定依据。最后通过仿真与基于HIL的半实物平台验证了所提策略的可靠性。

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考虑通信灵活性的5G基站与含光伏电源配电网多目标区间规划

曾博, 穆宏伟, 孟自帅, 张卫翔, 唐成虹

2024, 45(4): 423-433. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1945

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提出一种考虑通信灵活性赋能的5G基站与含光伏电源配电网多目标区间协同规划方法。首先,在深入分析5G基站与配电网交互机理的基础上,综合考虑基站能耗、通信容量及覆盖范围等方面特性约束,计及单基站级（带宽灵活分配）与基站群级（蜂窝呼吸机制）灵活性资源,构建5G基站需求响应模型。鉴于系统经济性和环境性之间的固有矛盾,分别以系统投资运行成本最低和碳排放量最小作为优化目标,建立5G基站与含光伏电源配电网协同规划的多目标区间优化模型。该模型通过对5G基站设备配置及接入节点选择、配电网扩容、RES配置及运行管理策略优化,并利用区间方法处理电力/通信负荷和RES不确定性,达到系统经济和低碳效益的同时优化。利用区间序关系和可能度法将所建模型转化为确定性优化问题,采用NSGA-Ⅱ算法进行求解。算例采用修改的IEEE-33节点系统,计算结果验证了所提方法能有效降低协同规划成本,促进可再生能源的消纳利用。

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基于NSGA-Ⅱ串行模式搜索的新能源发电与抽水蓄能电站联合系统多时间尺度优化调度方法

姜淇, 常玉红, 衣传宝, 陈之栩

2024, 45(4): 434-441. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1955

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针对新能源发电与抽水蓄能电站联合发电系统,提出一种多时间尺度优化调度策略,并提出一种结合快速非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）和模式搜索算法的NSGA-Ⅱ-PS算法,该策略针对不同的时间尺度分别设定目标函数与约束条件,对比NSGA-Ⅱ与NSGA-Ⅱ-PS在解决本调度问题结果上的优劣性。在日前、日中时间尺度对联合系统进行优化调度,制定调度计划。结果表明：在高比例新能源消纳的基础上,新能源发电与抽水蓄能电站联合系统多时间尺度优化调度可在日前、日中尺度实现联合系统经济安全运行。

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具有防融霜装置的蒸发器结霜特性及性能仿真研究

龚光彩, 安劲霖, 张明发, 胡文荃

2024, 45(4): 442-449. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1927

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以具有防融霜装置的蒸发器为研究对象,建立基于理想最小防融霜补热量和结霜量无量纲关联式的空气源热泵动态模型,并依据实验数据验证其精确性,通过数值模拟分析不同环境参数对具有防融霜装置的蒸发器性能的影响。结果表明：后置式与跨越式系统蒸发器换热系数要高于前置式与传统电辅热系统,霜层厚度更小,分布更均匀;当相对湿度一定时,蒸发器换热系数随温度升高而增大;当空气温度不变时,换热系数随相对湿度的下降而减小,霜层更均匀;温度对蒸发器换热系数的影响比相对湿度更大。

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T型三电平逆变器非对称矢量脉冲宽度调制相电流重构策略

申永鹏, 刘洋, 王帅兵, 齐文雷, 王延峰

2024, 45(4): 450-467. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1856

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针对T型三电平逆变器中点电流单传感器传统相电流重构方法存在不可观测区的问题,分析中点电流采样过程中不可观测区的存在机理,提出非对称矢量脉冲宽度调制相电流重构策略。通过移位PWM波延长基本电压矢量的作用时间,消除不可观测区,实现相电流重构。实验结果表明,所提方法的电流重构误差低于2.2%,输出相电流畸变率低于3.48%。

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应用于光伏发电系统的高效双路径变换器研究

魏芳宜, 李艳, 田野, 曹博武, 张峻豪, 张成玺

2024, 45(4): 468-474. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1880

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提出一类具有部分功率处理特性的变换器——双路径功率变换器（DPPC）,利用电压源串联的思想衍生其不同结构,从结构维度定义并推导DPPC的增益和效率特征关系,利用仿真对不同结构DPPC的增益与效率特性进行验证。最后选取最佳升压结构得到的变换器作为实验验证对象,搭建2 kW样机证明该变换器的可行性与高效性。

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考虑负荷特性的光伏消纳能力的模拟与评估

孙万通, 陈众, 陈慧霞, 徐翼, 郎坤

2024, 45(4): 475-481. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1889

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针对目前在配电网光伏消纳能力评估过程中不能全面考虑电力系统中负荷特性多样化对光伏消纳能力影响的不足,提出一种考虑负荷运行中的实际情况,光伏消纳模拟与概率评估的方法。首先采用支持向量机-随机森林算法对负荷数据进行清洗,再采用改进谱聚类算法对不同类型的负荷特性进行聚类分析,然后基于场景分析法选取不同负荷的类型曲线作为节点处负荷数据,最后基于蒙特卡洛模拟法和均匀抽样法进行光伏消纳方案随机模拟与消纳能力近似评估。基于IEEE 33节点系统算例分析,对有无考虑负荷特性的抽样结果进行对比,有效验证了所述方法的适用性。

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化学水浴沉积制备高质量Zn（O,S）薄膜及其性能研究

孙祺, 赵颖, 李博研, 陈静允, 赵子铭, 钟大龙

2024, 45(4): 482-488. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1966

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为获得铜铟镓硒薄膜太阳电池中高质量Zn（O,S）无镉缓冲层薄膜,该研究阐述了柠檬酸三钠作为络合剂制备Zn（O,S）薄膜的成膜机理,系统性研究了该体系下各反应参数对薄膜化学水浴沉积的影响。研究表明,柠檬酸三钠的浓度值显著影响反应类型,异质反应更有利于生成高质量薄膜。同时,柠檬酸三钠与金属离子浓度的比值直接影响成膜质量和成膜速率,适合的pH溶液环境有助于提高Zn（O,S）薄膜沉积的质量。此外,通过工艺参数的优化,获得了电学性能接近传统CdS/CIGS太阳电池的Zn（O,S）/CIGS电池器件。

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基于多元变分模态分解和混合深度神经网络的短期光伏功率预测

郭威, 孙胜博, 陶鹏, 徐建云, 白新雷

2024, 45(4): 489-499. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1986

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针对传统分解预测方法忽略太阳辐照度等多维气象因素与光伏功率在时域和频域上的耦合关系以及深度神经网络在训练中出现的特征学习效率低、训练速度慢、过拟合等问题,提出基于多元变分模态分解（MVMD）和混合深度神经网络的短期光伏功率预测方法。首先,采用MVMD对光伏功率及多维气象序列进行时频同步分析,将其分解为频率对齐的多元本征模态函数,从而降低序列中非线性和波动性的影响。其次,针对多元本征模态函数,分别建立基于混合深度神经网络的预测模型。该模型采用卷积神经网络和双向长短时记忆神经网络来分别提取光伏功率及气象序列的空间相关特征和时间相关特征,并采用注意力机制来增强对重要时间点特征的学习权重。此外,使用残差连接来加快网络的训练速度以及缓解过拟合问题。通过实际工程实验分析,验证了该文方法的优越性。

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融合视觉特征的光伏组件语义分割模型研究

王银, 沈灵鑫, 李茂环, 王健安, 李小松

2024, 45(4): 500-511. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0265

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针对光伏组件红外图像的分割问题,使用MobileNetv2作为DeepLabv3+的主干特征提取网络并使用位置通道注意力模块减少背景干扰,引入混合条带池化对ASPP模块进行优化,帮助模型进一步捕获全局和上下文信息。针对检测困难的屋顶光伏组件设计DeepLabv3-T网络,在上述改进的基础上融入纹理信息进行选择性背景抑制,实现光伏组件的精确分割。在PV_large和PV_roof数据集上进行实验证明该文方法优于现有技术,DeepLabv3-T相较于DeepLabv3+,mIoU值分别提高了2.74%和10.53%。此外,设计消融实验表明各个改进模块的有效性。

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基于聚类的HPO-BILSTM光伏功率短期预测

周育才, 肖添, 谢七月, 付强, 钟敏

2024, 45(4): 512-518. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0402

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考虑到光伏发电功率在不同天气类型下的波动性和不确定性,对此提出一种基于模糊C均值聚类算法（FCM）和猎食者优化算法（HPO）优化双向长短期记忆网络（BILSTM）的光伏发电短期功率预测模型。首先对光伏发电数据进行处理和分析,再进行主成分分析（PCA）降维和FCM聚类算法将数据按天气类型分为阴、晴、雨;最后通过HPO筛选得出BILSTM神经网络的最佳超参数,避免因超参数设置不佳对实验带来的影响,进一步提高实验的准确性和模型的泛化能力。最后通过预测和对比实验进行分析,验证所提方法的优越性。

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光注入提升晶体硅异质结太阳电池性能的研究

沈旭宇, 黄信二, 吕文辉

2024, 45(4): 519-523. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0724

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该文制备工业尺寸的晶体硅异质结太阳电池,研究光注入对电池光电性能的影响。实验结果表明：光注入有效提升了晶体硅异质结太阳电池的光电转换效率,经过光注入后电池光电转换绝对效率提升了0.33%,均值达到24.47个百分点。对比光注入前后的光电性能参数,其效率提升的主要因素是光注入使得电池的填充因子被有效提升。结合光注入前后电池的Suns-V_oc测试,证实了光注入能使电池的串联电阻大比例降低。因此,光注入改善电池性能的主要物理原因可归结为：串联电阻的降低提升了电池的填充因子。

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基于场协同理论的热空气吹掠型太阳能蒸馏器对流传热性能优化分析

高虹, 刘敬花, 闫素英, 聂晶

2024, 45(4): 524-531. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1901

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以热空气吹掠型太阳能蒸馏器为研究对象,利用数值模拟结果和均匀设计法分析蒸馏器内流动与传热场协同角的变化规律和影响因素。结果表明,影响场协同角的主要因素是热空气进口速度,热空气进口温度和水温的影响不显著。在蒸馏水温30~70 ℃、进口空气温度40~90 ℃,进口空气速度为8 m/s时平均传热场协同角最小,为73.14°,传热系数最大,可达到同等条件下自然对流传热系数的4倍。

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月桂酸/硬脂酸/纳米复合相变材料制备及性能研究

谭倩莉, 刘慧芳, 张铭驿, 余本东, 张怡

2024, 45(4): 532-539. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1938

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取月桂酸（LA）和硬脂酸（SA）作为相变材料（PCM）,绘制LA/SA的二元平衡相图。研究发现,当LA与SA质量比为7∶3时,复合PCM达到最低共熔温度31.2 ℃,适用于建筑围护结构。并将纳米氧化铜（nano-CuO）、纳米二氧化硅（nano-SiO₂）作为导热增强材料加入到复合PCM中,通过实验对比不同分散剂种类、不同纳米颗粒与分散剂比例、不同纳米颗粒浓度对实验材料稳定性和均匀性的影响,并基于傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、差示扫描热量（DSC）测试、导热系数测试以及吸放热过程分析对其热物性进行表征和研究。实验结果表明：0.2%nano-CuO/PCM具有较好的稳定性,熔化潜热和凝固潜热相较于复合PCM分别降低了5.91%、5.44%;导热系数提高了30.0%。

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太阳能热发电用熔盐储热材料金属相容性研究

王金龙, 鹿院卫, 吴玉庭, 张灿灿

2024, 45(4): 540-545. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1939

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为分析第三代太阳能热发电技术熔盐与低温罐选材的相容性,该文以一种低熔点（142 ℃）、高分解温度（>700 ℃）的混合熔盐为腐蚀环境,通过静态腐蚀实验研究碳钢（A515Gr70）和两种低合金钢（Q345R、15CrMoR）在450 ℃混合熔盐中的腐蚀行为。采用失重法测量不同金属的腐蚀速率。通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和能谱仪（EDS）对金属腐蚀表面的微观形貌、相组成和微区成分进行分析。结果表明：碳钢不含有耐腐蚀元素Cr、Ni和Mo,腐蚀速率最大。15CrMoR表面氧化层以疏松多孔的Fe₂O₃为主,不能阻止熔盐浸入金属基体内部,导致氧化程度加重,耐腐蚀性较差。Q345R表面氧化层由致密性好的FeCr₂O₄、NiO和TiO₂组成,对金属基体具有保护性,耐腐蚀性最佳。

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太阳能烟囱用于城市隧道通风排烟的性能研究

鲁宁, 谭泽宇, 刘茜, 黄有波

2024, 45(4): 546-553. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0576

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为探明太阳能烟囱用于城市隧道自然通风及火灾排烟的效率,采用数值模拟方法,研究烟囱高度、空腔间隙、太阳辐照度和火源功率对通风与排烟效率的影响规律。研究得出：隧道自然通风速率随烟囱高度、空腔间隙和太阳辐照度增加而上升,烟囱高度每增加1.4 m通风速率提高17%,空腔间隙每增加0.5 m通风速率提升16%,太阳辐照度增加200 W/m²通风效率提高11%。太阳能烟囱用于排烟的效率优于传统竖井,烟囱高度对排烟效率的影响较小,排烟空腔间隙临界值为1.5 m。基于太阳能烟囱内横向非对称抛物线温度分布,提出烟囱出口体积流量预测模型。

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珠峰地面太阳光谱观测

拉瓜登顿, 措加旺姆, 诺桑, 王倩, 王萌萌, 盛敏

2024, 45(4): 554-559. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1887

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利用国际标准高精度太阳光谱仪在2020—2021年期间对珠峰周边地面进行为期一年的太阳光谱观测研究。结果显示珠峰地面瞬时太阳光谱及其积分值（总辐射）频频超过大气层顶部光谱和太阳常数,夏至珠峰当地正午太阳光谱峰值达2.211 W/（m²·nm）。珠峰地面观测光谱积分值比海平面高出约15%。观测期间最高日平均光谱峰值达1.121 W/（m²·nm）。珠峰地面月均太阳光谱相对均匀,变化幅度小。最高月均太阳光谱出现在3月份,主要原因是下雪引起地表高反射。全年观测发现珠峰地面太阳总辐照度中紫外线B占0.26%,紫外线A占5.33%,可见光占49.58%,红外线占44.83%。为对比高海拔和低海拔太阳光谱特征,在2021年夏季同步观测珠峰和北京太阳光谱。利用全球气溶胶监测网络相关数据,研究大气气溶胶和水汽总量对珠峰和北京太阳光谱的影响。

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基于天气分型的水平面总辐射及散射辐射建模分析

李芬, 刘楚琦, 于淏, 屈爱芳, 毛玲, 陈小莉

2024, 45(4): 560-568. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1895

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为获得无太阳辐射观测地区的水平面总辐射及散射辐射量提出一种组合模型。首先通过日照百分率将天气情况分成3类,在此基础上,探究总云量、气溶胶等气象环境因子对水平面总辐射的影响,构建水平面总辐射线性模型;其次,考虑不同天气类型下气象环境因子的特征,建立基于高斯过程回归（GPR）的散射比和散射系数模型,进而获得散射辐射量;最后,得到每种天气类型下最优水平面总辐射模型与散射辐射模型构成的组合模型。结果表明,所提组合模型可有效提高水平面总辐射与散射辐射的预测精度。

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复杂地形区晴空太阳辐射模型构建与应用

丁雪倩, 张淑花, 金存银

2024, 45(4): 569-577. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1961

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以昆仑山提孜那甫河流域为研究区,利用中分辨率成像光谱仪（MODIS）提供的大气数据基于Iqbal Model C模型估算晴空大气透射率空间分布,并引入地形开阔度（SVF）和遥感地表反照率数据分别用于估算散射辐射地形阻挡以及反射辐射反照率系数空间分布,最后结合Kumar模型的直接辐射地形阻挡模拟过程,实现对Kumar模型的改进,改进后模型综合考虑了大气以及地形对太阳辐射的影响。利用改进后模型对研究区地表太阳辐射时空分布进行模拟和分析,基于地面气象站点观测数据对模拟结果进行验证。结果表明：模型估算值与站点观测值存在很好的一致性,相关系数R²为0.96,平均绝对误差（MAE）为1.47 MJ/m²,平均绝对相对误差（MARE）为12.26%。春季、夏季以及秋季模型的模拟精度较高,冬季模型的模拟精度较低,可能的原因为冬季MODIS大气数据有所低估。

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基于FY-4A和机器学习的太阳辐照度超短期预测

贾东于, 李开明, 高晓清, 高雨濛

2024, 45(4): 578-583. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1972

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针对中国西部地区辐射资源充沛但观测资料匮乏的特点,提出一种基于辐照度观测数据、遥感数据、 McClear和随机森林算法的太阳辐照度超短期预测方法,并重点分析遥感数据对辐照度预测效果的影响。结果表明：添加遥感数据能够优化不同时间步长的辐照度预测效果,并能显著降低平均绝对百分比误差（MAPE）值高于40%的预测大误差出现概率。同时,添加遥感数据对预测效果的提升随时间步长呈线性增加关系,nRMSE的差值变化范围从2.08%变为13.81%;nMAE的差值从1.64%变化为14.52%;R²的差值随时间步长的变化最为明显,从-0.03变为-0.43。但值得注意的是,添加卫星数据会显著增加模型的建立和超参寻优时间。

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三轴应力下CO₂置换开采天然气水合物实验研究

王婷婷, 赵建忠, 高强, 张驰

2024, 45(4): 584-591. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1881

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为模拟海域真实环境,在三轴应力、氯化钠体系以及水合物储层富水状态的条件下,开展针对氯化钠体系、储层初始饱和度以及置换压应力对液态CO₂置换开采海域天然气水合物的实验。研究表明：在三轴应力以及孔隙度约46.70%的条件下,氯化钠体系对CH₄置换效率影响较小,但对CO₂水合物合成表现出抑制作用;储层初始饱和度与CH₄置换效率之间是负相关关系且高的储层含水率更有利于CO₂封存;CH₄置换效率随着置换压应力的增长有一定幅度的提高,置换压应力的增大为CO₂水合物合成提供了高的驱动力,进而提高了CO₂封存效率。

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