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Younes Azelhak,
Damien Voyer,
Hicham Medromi
2022,
6(6)
:859-872. doi: 10.1093/ce/zkac049
摘要:
针对风能转换系统中大量参数(尤其是瞬态下，包括风力机转速和机械转矩以及风速)的估计问题，本文提出了一种改进的高精度估计方法，主要包括两个步骤。首先，使用四阶龙伯格观测器，将阵风可能引起的机械转矩大幅波动考虑在内。该观测器可在所有天气条件下(尤其是在阵风条件下)准确估算速度和机械转矩。同时，基于龙伯格观测器输出和风力机机械功率模型计算风速。其次，将参数估计值作为最大功率点跟踪(MPPT)算法输入，使用叶尖速比(TSR)来改进无传感器策略控制。我们采用MATLAB®/Simulink®对阵风和实际风剖面进行仿真模拟。结果表明，阵风突变幅度为3—7 m/s时，新观测器对风力机转速和转矩的跟踪性能优于普通观测器。此外，我们还证明了，在改进TSR-MPPT策略中应用本文估计器能比传统方法多提取3.3%的能量。
针对风能转换系统中大量参数(尤其是瞬态下，包括风力机转速和机械转矩以及风速)的估计问题，本文提出了一种改进的高精度估计方法，主要包括两个步骤。首先，使用四阶龙伯格观测器，将阵风可能引起的机械转矩大幅波动考虑在内。该观测器可在所有天气条件下(尤其是在阵风条件下)准确估算速度和机械转矩。同时，基于龙伯格观测器输出和风力机机械功率模型计算风速。其次，将参数估计值作为最大功率点跟踪(MPPT)算法输入，使用叶尖速比(TSR)来改进无传感器策略控制。我们采用MATLAB®/Simulink®对阵风和实际风剖面进行仿真模拟。结果表明，阵风突变幅度为3—7 m/s时，新观测器对风力机转速和转矩的跟踪性能优于普通观测器。此外，我们还证明了，在改进TSR-MPPT策略中应用本文估计器能比传统方法多提取3.3%的能量。
Chandrakant D. Bhos,
Javed Sayyad,
Paresh Nasikkar
2022,
6(6)
:873-880. doi: 10.1093/ce/zkac062
摘要:
鉴于太阳能电池板局部遮阴是导致太阳能光伏(SPV)系统性能下降的主因之一，为避免SPV系统光伏板的非线性行为，有必要实施最大功率点跟踪(MPPT)技术。本文先分析了局部遮阴导致SPV系统输出功率下降，后又以MATLAB®/Simulink®实施了基于组件级局部遮阴影响下动态行为的改进型蚁群优化MPPT算法。为评估系统性能，本文将不同水平的局部遮阴施加于SPV组件。提议算法以99.9%的精度及2 ms的响应时间跟踪最大功率点。引入加权系数后，该算法实现了更快收敛。
鉴于太阳能电池板局部遮阴是导致太阳能光伏(SPV)系统性能下降的主因之一，为避免SPV系统光伏板的非线性行为，有必要实施最大功率点跟踪(MPPT)技术。本文先分析了局部遮阴导致SPV系统输出功率下降，后又以MATLAB®/Simulink®实施了基于组件级局部遮阴影响下动态行为的改进型蚁群优化MPPT算法。为评估系统性能，本文将不同水平的局部遮阴施加于SPV组件。提议算法以99.9%的精度及2 ms的响应时间跟踪最大功率点。引入加权系数后，该算法实现了更快收敛。
Dharani Kumar Narne,
T.A. Ramesh Kumar,
Rama Koteswara Rao Alla
2022,
6(6)
:881-892. doi: 10.1093/ce/zkac054
摘要:
光伏(photovoltaic, PV)装置会不可避免地运行在部分遮光条件(partial shading condition, PSC)下，而这正是光伏阵列功率降低的主要原因。通过适当的排布方案就可以在一定程度上降低部分遮光带来的影响。已有的光伏阵列拓扑结构包括串联、并联、串并联(series-parallel, SP)、蜂窝状(honey comb, HC)、全交联(total cross-tied, TCT)等多种。本文提出了一种新的SP-TCT拓扑结构，在不同的遮光条件下都可最大限度地提升光伏电池面板的输出功率。我们使用一套4×4的光伏阵列，在“长-窄”“长-宽”“短-窄”“短-宽”和“均等”的遮光条件下对这一拓扑结构的性能表现进行了考察。我们对本文提出的拓扑结构和已有的拓扑结构进行了实际效果方面的比较，具体使用的性能指标是最大功率、填充因子、效率和失配损耗。本工作提出的拓扑结构在上述每一项性能指标上的表现都最接近于TCT拓扑结构。相较于其他拓扑结构，本工作提出的SP-TCT新拓扑结构和TCT拓扑结构的效率提升百分比都接近于1.6%。
光伏(photovoltaic, PV)装置会不可避免地运行在部分遮光条件(partial shading condition, PSC)下，而这正是光伏阵列功率降低的主要原因。通过适当的排布方案就可以在一定程度上降低部分遮光带来的影响。已有的光伏阵列拓扑结构包括串联、并联、串并联(series-parallel, SP)、蜂窝状(honey comb, HC)、全交联(total cross-tied, TCT)等多种。本文提出了一种新的SP-TCT拓扑结构，在不同的遮光条件下都可最大限度地提升光伏电池面板的输出功率。我们使用一套4×4的光伏阵列，在“长-窄”“长-宽”“短-窄”“短-宽”和“均等”的遮光条件下对这一拓扑结构的性能表现进行了考察。我们对本文提出的拓扑结构和已有的拓扑结构进行了实际效果方面的比较，具体使用的性能指标是最大功率、填充因子、效率和失配损耗。本工作提出的拓扑结构在上述每一项性能指标上的表现都最接近于TCT拓扑结构。相较于其他拓扑结构，本工作提出的SP-TCT新拓扑结构和TCT拓扑结构的效率提升百分比都接近于1.6%。
Furqan A. Abbas,
Adel A. Obed,
Mohammed A. Qasim,
Salam J. Yaqoob,
Seydali Ferahtia
2022,
6(6)
:893-907. doi: 10.1093/ce/zkac063
摘要:
本文研究成果是提出了一个直流(DC)微电网(MG)用高效能源管理策略(EMS)。典型MG由两个可再生能源[光伏(PV)系统与燃料电池(FC)]发电元件和两个储能元件(锂离子电池与超级电容)组成。本文提出了一个经负载和能源之间的功率共享来确保最佳总线电压的EMS。因此，提议DC MG采用了非线性平坦控制理论，而非传统比例-积分控制方法。提议EMS旨在考虑FC状态的同时实现变化负载条件及波动太阳辐照下负载的高质量电能供应。本文以MATLAB®环境验证了提议EMS的有效性，并以粒子群优化算法最大功率点跟踪(MPPT)技术跟踪了不同辐照度条件下3000 W PV系统的MPP，并使PV系统输出功率达到最大值。研究结果显示，提议EMS以最小过冲(0.1%)及更高波纹含量(0.1%)提供了稳定光滑的DC总线电压。因此，平坦控制理论经稳定总线电压提升了电能质量，进而提升了DC MG性能。
本文研究成果是提出了一个直流(DC)微电网(MG)用高效能源管理策略(EMS)。典型MG由两个可再生能源[光伏(PV)系统与燃料电池(FC)]发电元件和两个储能元件(锂离子电池与超级电容)组成。本文提出了一个经负载和能源之间的功率共享来确保最佳总线电压的EMS。因此，提议DC MG采用了非线性平坦控制理论，而非传统比例-积分控制方法。提议EMS旨在考虑FC状态的同时实现变化负载条件及波动太阳辐照下负载的高质量电能供应。本文以MATLAB®环境验证了提议EMS的有效性，并以粒子群优化算法最大功率点跟踪(MPPT)技术跟踪了不同辐照度条件下
Jiang-Bo Qian,
Xin-Lei Wang,
Jin-Xing Wang
2022,
6(6)
:908-916. doi: 10.1093/ce/zkac065
摘要:
燃烧中的固体废物与其燃料气体产物相互作用，该相互作用或许可以用于调节其污染物排放。厌氧条件下采用化学循环燃烧(CLC)工艺时，二者的相互作用途径更加清晰，更方便利用。本文以自制双床反应器实施了多组分固体废物CLC实验，并研究了燃料气体的特性对污水污泥和聚氯乙烯(PVC)混合比例的影响。结果表明，该CLC工艺的燃烧效率>99.9%；含60%污泥的聚氯乙烯的碳转化率最高，达96.3%。当污泥与20%的PVC混合时，CO与SO2的最高排放量分别可达26%与19%。随着污泥中PVC比例的增加，燃料气体中CO浓度达峰时间后移，但SO2浓度达峰时间前移。总趋势为先升后降。此外，碳排放存在多个峰值，分别对应约10%、30%及约70%的碳转化率；碳转化率达40%前，氮排放量即可达到总排放量的90%；硫排放周期更长，主要于10%—60%碳转化率时排放。本研究结果有望为抑制固体废物燃烧污染物提供参考。
燃烧中的固体废物与其燃料气体产物相互作用，该相互作用或许可以用于调节其污染物排放。厌氧条件下采用化学循环燃烧(CLC)工艺时，二者的相互作用途径更加清晰，更方便利用。本文以自制双床反应器实施了多组分固体废物CLC实验，并研究了燃料气体的特性对污水污泥和聚氯乙烯(PVC)混合比例的影响。结果表明，该CLC工艺的燃烧效率>99.9%；含60%污泥的聚氯乙烯的碳转化率最高，达96.3%。当污泥与20%的PVC混合时，CO与SO2的最高排放量分别可达26%与19%。随着污泥中PVC比例的增加，燃料气体中CO浓度达峰时间后移，但SO2浓度达峰时间前移。总趋势为先升后降。此外，碳排放存在多个峰值，分别对应约10%、30%及约70%的碳转化率；碳转化率达40%前，氮排放量即可达到总排放量的90%；硫排放周期更长，主要于10%—60%碳转化率时排放。本研究结果有望为抑制固体废物燃烧污染物提供参考。
Saad Uddin,
Jinan Gu,
Muhammad Ajmal
2022,
6(6)
:941-951. doi: 10.1093/ce/zkac064
摘要:
本文描述了一种闪电电能采集与储存系统的假设设计方法。该系统操作涵盖了吸引及处理闪电电荷。三种介电材料(金红石、云母和石英)的性能各不相同，由此定义了存储系统响应预测(含电荷存储)。本文结果均为仿真结果或数学方法证实的系统预测结果。研究结果表明，各介电材料均有着可影响存储系统效率的优劣势。经分析三种材料的不同之处可知，云母是最合适的介电材料，原因在于其介电强度最大，此为电荷处理的主要因素。
本文描述了一种闪电电能采集与储存系统的假设设计方法。该系统操作涵盖了吸引及处理闪电电荷。三种介电材料(金红石、云母和石英)的性能各不相同，由此定义了存储系统响应预测(含电荷存储)。本文结果均为仿真结果或数学方法证实的系统预测结果。研究结果表明，各介电材料均有着可影响存储系统效率的优劣势。经分析三种材料的不同之处可知，云母是最合适的介电材料，原因在于其介电强度最大，此为电荷处理的主要因素。
Nafise Shafeian,
A.A. Ranjbar,
Tahereh B. Gorji
2022,
6(6)
:952-964. doi: 10.1093/ce/zkac061
摘要:
近年来，空气制水(AWG)可解决世界缺水问题，故而深受研究人员关注。一般而言，AWG需要除湿，除湿又涉及两个主要原理：制冷和吸附。就制冷方式而言，热电冷却器较为合适，就吸附方式而言，最好采用吸附能力高、发热量低的干燥剂材料。本文于2021年8月14日至31日期间选取了四个典型夏日，于伊朗巴博尔(36.5387 °N, 52.6765 °E)实际条件下设计并测试了一个便携式混合/集成太阳能AWG系统。本文设计并评估了两个模型(模型A和模型B)，记录了温度、相对湿度、太阳辐照和制水数据，且评估了系统性能[即制水量与耗电量之比，单位为mL/(W·h)]，并对提议系统进行了经济分析。研究结果表明，平均相对湿度及温度分别为52%及36 ℃时，提议配置(模型B)的日制水量最大为2.12 L/(m2·d)。提议AWG系统的整体性能为0.19 mL/(W·h)，年制水量为774.4 L/m2，生产成本为0.0246 美元/(L·m2)，投资回报期为1.19年。
近年来，空气制水(AWG)可解决世界缺水问题，故而深受研究人员关注。一般而言，AWG需要除湿，除湿又涉及两个主要原理：制冷和吸附。就制冷方式而言，热电冷却器较为合适，就吸附方式而言，最好采用吸附能力高、发热量低的干燥剂材料。本文于2021年8月14日至31日期间选取了四个典型夏日，于伊朗巴博尔(
Qiong Zou,
Xuan Zeng,
Chao Wang,
Yijun Shen
2022,
6(6)
:965-978. doi: 10.1093/ce/zkac067
摘要:
抛物面聚光器的迎风镜大而薄，该结构是聚光器易受风荷载影响的原因。本文经测量风洞压力分析了多层平顶聚光镜模型(1∶35)风压，得出了平顶聚光镜平均风压分布规律(含随工作条件的变化规律及最大分布特征)、脉动风压分布规律及极值风压分布规律，又经比较地面聚光器分布规律，得出了二者异同之处。研究结果表明，平顶抛物面聚光镜风压分布规律与地面聚光镜风压分布规律相同，但平均风压系数(绝对值)往往低约30%，且最大影响一般位于迎风镜边缘，30°及135°—150°风向的聚光镜更易受风压影响。本研究结果为抗风结构设计及多层平顶聚光器相关研究提供了理论参考。
抛物面聚光器的迎风镜大而薄，该结构是聚光器易受风荷载影响的原因。本文经测量风洞压力分析了多层平顶聚光镜模型(1∶35)风压，得出了平顶聚光镜平均风压分布规律(含随工作条件的变化规律及最大分布特征)、脉动风压分布规律及极值风压分布规律，又经比较地面聚光器分布规律，得出了二者异同之处。研究结果表明，平顶抛物面聚光镜风压分布规律与地面聚光镜风压分布规律相同，但平均风压系数(绝对值)往往低约30%，且最大影响一般位于迎风镜边缘，30°及135°—150°风向的聚光镜更易受风压影响。本研究结果为抗风结构设计及多层平顶聚光器相关研究提供了理论参考。
M. Savitha,
S. Nagaraja Rao
2022,
6(6)
:979-1002. doi: 10.1093/ce/zkac055
摘要:
本文提出了一种可减少开关数量及谐波并进行多电压电平单开关故障分析的可再生能源多串式多电平逆变器(M-MLI)。该逆变器仅需‘m+1’个电源开关及‘m’个电平。本文以基于教学的优化算法(TLBOA)的元启发技术实现了开关角微调，减少了M-MLI总谐波失真(THD)，并比较了提议TLBOA与等相位(EP)、半等相位(HEP)、近电平控制(NLC)及Newton-Raphson(NR)等传统调制技术，验证了TLBOA在不同电压电平的电压-THD(%V-THD)、计算时间及方法上的有效性。相比于EP、HEP、NLC及NR调制技术，%V-THD经微调开关角得以明显改善。经0.91调制指数(MI)的TLBOA计算得出11电平单相M-MLI的%V-THD为5.051%。其消除了5、7、11及13等低阶谐波，改善了电能质量。MLI经常发生故障，容易导致波形失真。电能质量极端下降会影响负荷，可能造成重大损失。多开关多电平发生故障时，开路故障位置的确定更加烦琐，其数学建模无法在较短计算时间内完成。因此，本文讨论了支持向量机(SVM)与Bayesian优化的机器学习方法定位故障开关，最后以MATLAB®及Simulink®建模、仿真及验证提议M-MLI配置。本文以TLBOA验证了7-、9-及11-电平的M-MLI配置结果，并以SVM方法进行了故障分析。
本文提出了一种可减少开关数量及谐波并进行多电压电平单开关故障分析的可再生能源多串式多电平逆变器(M-MLI)。该逆变器仅需‘m+1’个电源开关及‘m’个电平。本文以基于教学的优化算法(TLBOA)的元启发技术实现了开关角微调，减少了M-MLI总谐波失真(THD)，并比较了提议TLBOA与等相位(EP)、半等相位(HEP)、近电平控制(NLC)及Newton-Raphson(NR)等传统调制技术，验证了TLBOA在不同电压电平的电压-THD(%V-THD)、计算时间及方法上的有效性。相比于EP、HEP、NLC及NR调制技术，%V-THD经微调开关角得以明显改善。经0.91调制指数(MI)的TLBOA计算得出11电平单相M-MLI的%V-THD为5.051%。其消除了5、7、11及13等低阶谐波，改善了电能质量。MLI经常发生故障，容易导致波形失真。电能质量极端下降会影响负荷，可能造成重大损失。多开关多电平发生故障时，开路故障位置的确定更加烦琐，其数学建模无法在较短计算时间内完成。因此，本文讨论了支持向量机(SVM)与Bayesian优化的机器学习方法定位故障开关，最后以MATLAB®及Simulink®建模、仿真及验证提议M-MLI配置。本文以TLBOA验证了7-、9-及11-电平的M-MLI配置结果，并以SVM方法进行了故障分析。
Huiru Zhao,
Chao Zhang,
Yihang Zhao
2022,
6(6)
:1003-1016. doi: 10.1093/ce/zkac060
摘要:
构建新型电力系统是实现“碳达峰、碳中和”目标的重要手段。在可再生能源发展过程中，风电、光伏发电系统大规模替代常规机组，将影响电网稳定性。为消除此类顾虑，本文提出了一种新型电力系统双层优化调度模型。上层优化旨在考虑需求响应的同时最小化净负荷波动，进而平滑负荷曲线。下层优化则以新型电力系统最小运行成本为目标函数，旨在建立最经济的调度策略。为处理系统内可再生能源的不确定性，本文将下层模型转换为两阶段鲁棒优化模型，并以列和约束生成算法求解，最后选了一个含760 MW火力发电、50 MW·h储能、200 MW风力涡轮机及150 MW光伏发电的区域电力系统进行案例研究。结果表明，所建两阶段鲁棒优化模型有利于制定不确定预算的459031 美元最低系统运行成本的最经济调度方案，而需求响应及储能也缩小了电力系统峰谷差。
构建新型电力系统是实现“碳达峰、碳中和”目标的重要手段。在可再生能源发展过程中，风电、光伏发电系统大规模替代常规机组，将影响电网稳定性。为消除此类顾虑，本文提出了一种新型电力系统双层优化调度模型。上层优化旨在考虑需求响应的同时最小化净负荷波动，进而平滑负荷曲线。下层优化则以新型电力系统最小运行成本为目标函数，旨在建立最经济的调度策略。为处理系统内可再生能源的不确定性，本文将下层模型转换为两阶段鲁棒优化模型，并以列和约束生成算法求解，最后选了一个含760 MW火力发电、50 MW·h储能、200 MW风力涡轮机及150 MW光伏发电的区域电力系统进行案例研究。结果表明，所建两阶段鲁棒优化模型有利于制定不确定预算的
Mohammad Zandie,
Hoon Kiat Ng,
Suyin Gan,
Mohd Farid Muhamad Said,
Xinwei Cheng
2022,
6(6)
:917-940. doi: 10.1093/ce/zkac056
摘要:
在发动机中使用生物柴油等替代性燃料的做法已被证明是控制温室气体(greenhouse gas, GHG)排放的一项可行策略。生物柴油与传统柴油的混合燃料可以减少一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)的排放以及烟尘的产生。但生物柴油在燃烧时存在着热效率较低、氮氧化物(NOx)排放量较高和积碳等问题。近来已有研究人员提出将汽油添加到传统柴油–生物柴油的混合燃料中以弥补生物柴油在燃烧时的缺陷。本文对在发动机中使用这种三元混合燃料的可行性进行了全面的综述。本文首先对传统燃料带来的环境与健康问题、控制温室气体排放的应对计划以及将替代性燃料用作脱碳技术的做法进行了评价，然后对传统柴油–生物柴油–汽油混合燃料的燃烧和排放特性进行了详细讨论，最后对这种替代性混合燃料在发动机中的应用现状、挑战和前景进行了阐述。本文的结论表明汽油与传统柴油–生物柴油共混后得到的混合燃料在高负荷下会使点火延迟变长、热释放速率变快、缸内压力变高。此外，在添加了汽油后，燃烧持续时间变短，烟尘、一氧化碳以及未燃碳氢化合物的排放得到了降低，而氮氧化物的排放量略有增加。汽油的加入被发现会部分破坏燃烧的稳定性，但能提升燃油经济性(在中和高负荷下)。为了支持这一燃料策略在交通运输行业的更广泛使用和产业化，世界各国都需要提供相应的立法和/或财政支持。这将鼓励科研人员、燃料生产商和发动机制造商解决好生物柴油在原料成本、燃料质量、燃料储存管理和发动机保修等方面存在的挑战。
在发动机中使用生物柴油等替代性燃料的做法已被证明是控制温室气体(greenhouse gas, GHG)排放的一项可行策略。生物柴油与传统柴油的混合燃料可以减少一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)的排放以及烟尘的产生。但生物柴油在燃烧时存在着热效率较低、氮氧化物(NOx)排放量较高和积碳等问题。近来已有研究人员提出将汽油添加到传统柴油–生物柴油的混合燃料中以弥补生物柴油在燃烧时的缺陷。本文对在发动机中使用这种三元混合燃料的可行性进行了全面的综述。本文首先对传统燃料带来的环境与健康问题、控制温室气体排放的应对计划以及将替代性燃料用作脱碳技术的做法进行了评价，然后对传统柴油–生物柴油–汽油混合燃料的燃烧和排放特性进行了详细讨论，最后对这种替代性混合燃料在发动机中的应用现状、挑战和前景进行了阐述。本文的结论表明汽油与传统柴油–生物柴油共混后得到的混合燃料在高负荷下会使点火延迟变长、热释放速率变快、缸内压力变高。此外，在添加了汽油后，燃烧持续时间变短，烟尘、一氧化碳以及未燃碳氢化合物的排放得到了降低，而氮氧化物的排放量略有增加。汽油的加入被发现会部分破坏燃烧的稳定性，但能提升燃油经济性(在中和高负荷下)。为了支持这一燃料策略在交通运输行业的更广泛使用和产业化，世界各国都需要提供相应的立法和/或财政支持。这将鼓励科研人员、燃料生产商和发动机制造商解决好生物柴油在原料成本、燃料质量、燃料储存管理和发动机保修等方面存在的挑战。
Mehrab Hemmati Farahani,
Marjan Namazzadeh,
Azin Hemmati Farahani
2022,
6(6)
:1017-1031. doi: 10.1093/ce/zkac044
摘要:
本文研究了可再生能源显著降低建筑能耗的结果，尤其重点研究了伊朗等太阳能利用具有巨大潜力的国家结果。依德黑兰22个地区的私人、政府及市政建筑的所有权类型，本文比较分析了选定案例能耗。此外，本文以能耗、优势、劣势、机会和威胁分析等数据研究了10%的公共建筑、4%的私人设施及10%的市政建筑安装可再生能源系统的开放可用空间。本文结果表明，德黑兰建筑平均能耗近全球平均能耗的四倍。伊朗日照时间约300天，任何太阳直射之地均可安装太阳能电池板。因此，任何季节伊朗建筑均可吸收利用太阳能。2050年，伊朗可再生能源生产将发挥决定性作用。此外，太阳能也可降低化石燃料消耗及生产成本。
本文研究了可再生能源显著降低建筑能耗的结果，尤其重点研究了伊朗等太阳能利用具有巨大潜力的国家结果。依德黑兰22个地区的私人、政府及市政建筑的所有权类型，本文比较分析了选定案例能耗。此外，本文以能耗、优势、劣势、机会和威胁分析等数据研究了10%的公共建筑、4%的私人设施及10%的市政建筑安装可再生能源系统的开放可用空间。本文结果表明，德黑兰建筑平均能耗近全球平均能耗的四倍。伊朗日照时间约300天，任何太阳直射之地均可安装太阳能电池板。因此，任何季节伊朗建筑均可吸收利用太阳能。2050年，伊朗可再生能源生产将发挥决定性作用。此外，太阳能也可降低化石燃料消耗及生产成本。
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