双极板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)中的重要组成部件,其性能对 PEMFC 的结构稳定性、耐久性、效率和功率密度等起关键作用。金属双极板由于成本较低、力学性能优异以及导电导热性能良好等优点而备受关注。其中,钛金属具有密度低、气密性好、抗拉强度高等特性,且在酸性环境下具有优异的耐蚀性,在PEMFC 中有很高的应用价值。钛双极板的耐蚀、导电、疏水、传热、传质等性能受到涂层材料和成形方法的显著影响。因此,文章首先介绍了双极板在PEMFC中的功能及相关要求,然后综述了近年来在PEMFC 钛双极板涂层材料和成形方法两个方面的主要研究成果,并对其未来的研究方向进行了展望。

生物质热解可产生热解炭和热解油,其中热解炭存在丰富的表面官能团和孔隙结构,热解油中含有多种可以发生氧化还原的组分,其可分别用于制备燃料电池电极材料和燃料。文章优化了林木热解油作为碱性燃料电池燃料的工作条件,并以林木热解炭为原料,采用K₂CO₃ 活化和金属负载的方法制备了林木活性炭(AC)和3种林木热解炭复合电极(AC/Fe, AC/Mn, AC/Fe/Mn),通过傅里叶红外光谱、扫描电子显微镜和电化学工作站分析了电极材料的微观结构、表面性质和电化学活性。结果表明:在以AC为阴极电极时,较优的林木热解油质量分数和环境温度分别为30%和60℃,此时电流为3.10mA;在优化条件下,AC/Fe, AC/Mn和AC/Fe/Mn的电流分别为8.02,12.57,15.25 mA,较 AC 分别提升 159%,305%,392%;在优化条件下,以 AC/Fe/Mn 为阴极电极,加入12 mL 林木热解油作为燃料时,基于林木热解产物的燃料电池可持续工作408.6 min,总放电量为40.61 mAh。

针对农业废弃物厌氧消化水解限速、产甲烷量低等问题,文章以牛粪和玉米秸秆为原料,经热预处理后在消化过程中投加不同剂量(4,8,12mg/L)和不同粒径(微米级,纳米级)的零价铁(ZVI),探究其对农业废弃物共消化的强化作用。研究结果表明:投加适量的 ZVI 会对水解酸化和产甲烷过程产生促进作用,当投加 8 g/L 微米级 ZVI或4 g/L 纳米级 ZVI时,可获得最高累积产甲烷量,分别比空白组提高了20.7%和29.5%;微米级 ZVI 和纳米级 ZVI均可促进溶解性有机物的释放和丙酸向乙酸的转化;纳米级 ZVI 对水解酸化的促进作用强于微米级 ZVI,但投加较多(8~12 g/L)纳米级 ZVI 会对产甲烷起负面作用;ZVI 可促进 Romboutsia, Saccharofermentans 等水解酸化细菌和耗乙酸产甲烷菌 Methanothrix 的富集,对水解产酸和产甲烷过程起强化作用。

针对建筑能源消耗过高问题,文章在独栋建筑中构建了带有热泵和热能储存的混合光伏/热能耦合系统,将其与需求侧管理概念相结合,开发了一个动态模拟模型描述其运行性能,进而对需求侧管理进行配置优化,分析了不同配置下的成本和能源使用情况。结果表明,需求侧管理下耦合系统上网电量占总发电量比率相比无储能系统在供暖、供冷季白天分别提升了23.96%,7.07%,索取电量在夜间大幅提升,总体增加了5.07%,104.50%,系统电力负荷调控能力良好,水箱温度设定点在供暖季及供冷季分别为43,24℃,是所有优化配置中总能耗最低的,比没有PVT 和水箱的系统,年能耗降低41.77%,比不实施管理策略的节能率提高了7.10%。储能期消耗的电量在供暖、供冷季约占总耗电量的50.9%,72.7%。需求侧管理配置优化能够进一步降低系统能耗,特别是那些具备节能优势的系统,这对节能降耗具有良好的现实意义。

云计算需求在催生数据中心部署应用的同时,造成能耗高和碳排放压力,故云计算环境中可再生能源的高效利用问题被提出。针对太阳能的间歇性非稳特点,文章研究了云任务调度方法来提升数据中心供能中能源利用率。首先,构建预测太阳能产能的深度自回归模型 DeepAR;然后,利用延时容忍型任务和计划工作任务在时间维度上灵活调度的特性,设计云任务调度策略和算法;最后,运用 GluonTS 框架使用真实任务数据集和太阳能产能数据集进行仿真实验。结果表明,计算负荷与太阳能出力的匹配性得到改善,数据中心太阳能供能的利用率得到提升。

随着我国可再生能源的跨越式发展,新能源电力消纳问题日益突出。文章构建了市电与光伏互补型相变蓄能电供暖系统,搭建了该系统动态热性能的数学模型,设计了系统的热电负荷柔性调节控制策略。针对北京市某低碳建筑进行情景分析,模拟研究了该系统的光伏消纳能力和柔性负荷转移能力。结果表明:在室内温度维持在18℃的情况下,采用屋顶光伏的系统能够降低案例建筑93.9%的峰电消耗量及23.9%的一次能源消耗量;与无光伏系统相比,使用不同安装形式及面积的系统,峰电消耗量能够降低75.1%~97.4%,且蓄电容量的提升对系统的柔性负荷转移能力提升有着显著作用,当蓄电池容量大于15 kW·h时,提升效果逐渐减小。

为研究海上风电中大直径楔形单桩基础在安装方面的经济性,文章采用ABAQUS中的耦合欧拉拉格朗日方法(CEL)建立高频振动荷载下单桩基础的有限元模型,对比分析同等用钢量的楔形单桩和等截面单桩的沉桩特性。通过分析桩体贯入速度、摩阻力、土体位移和土体应力,探讨楔形结构对基础安装的影响。分析结果显示:楔形单桩在砂土中所需总沉桩时间比等截面单桩减少了38%,在施工方面具有较好的经济效益;但在沉桩后期,楔形单桩的浅层土体位移峰值位置后移,峰值增量有所增加,传递到地基中的能量更多,对土体的扰动更为强烈,地表径向扰动范围增大了0.01r(r为等截面单桩半径)。研究成果不仅为海上风电单桩基础截面型式的设计提供依据,更为探索大直径楔形单桩基础在海上风电项目中的潜在价值提供了重要参考。

文章以现有风力机变桨控制系统为研究对象,进行了变来流和环境温度的风轮性能试验,流固耦合计算选用 workbench2021平台中的Fluent 模块和 Transient Structural 模块来完成。结果表明:在试验范围内,模型和试验的功率、升力系数的最大误差分别为3.7%,5.8%,平均误差分别为2.2%,3.4%;在额定风速 10 m/s 位置风轮达到最大功率2.5kW,攻角为14°时,升力系数最大为1.05。来流风速对尾流区旋涡强度影响较为明显,来流风速越高,同一位置坐标叶片表面压力越大,叶轮尾部速度衰减越小,叶片所受最大应力和变形量与来流风速成正比关系;环境温度越低,同一位置坐标叶片表面压力越大,叶片所受最大应力和变形量与环境温度成反比关系,环境温度为20~20℃时,由温度引起的最大应力、变形量波动分别为1.45%和2.37%,该结果对风力机在恶劣环境中的运行具有指导意义。

风向的变化对风电机组的偏航控制是一个挑战。对于风向的频繁变化,如果风电机组的反应速度过慢,无法及时调整偏航角度,将会影响发电效率。为了准确控制风电机组风轮偏航问题,文章提出了一种基于贝叶斯推理的风电机组风轮偏航协同智能控制方法。在考虑风速随机性的情况下,分析风向信号,获取风向样本数据。引入贝叶斯分类器,结合风向正态分析模型,计算服从上一批样本分布的风向样本后验概率,将其作为警戒值调节基准,建立基于贝叶斯推理的网络警戒值调节机制,通过爬山算法调节警戒值,完成风电机组风轮偏航协同智能控制。实验结果表明,所提方法对风电机组风轮偏航展开协同智能控制后,机舱位置出现偏航的次数为0,且偏航控制时间短,表明该方法可以完成风电机组风轮偏航协同智能控制。

弹性支撑海上风电机组传动链在随机风浪耦合作用下,会受到因支撑平台大范围运动而产生的随机气动载荷与惯性载荷的综合影响,振动特性极为复杂。为了降低随机风浪对海上风电机组传动链振动响应的影响,文章以某6.2 MW 海上风电机组传动链为研究对象,建立了弹性支撑海上风电机组传动链刚柔耦合动力学模型,提出了基于代理模型的工况参数、支撑参数与海上风电机组传动链关键构件振动响应之间映射关系的重构方法,构建了多工况下海上风电机组传动链弹性支撑参数优化模型,对比了不同工况下海上风电机组传动链减振效果。研究结果表明:机舱运动与输入转矩增大会显著增加主轴轴承与发电机定子振动响应;优化弹性支撑参数可以有效降低机舱运动与输入转矩对主轴轴承与发电机定子振动响应的影响,其改善效果会随着平均风速的增加而愈加明显。此研究对提高海上风电机组传动链在随机风浪耦合作用下长期稳定运行的能力具有重要理论参考意义。

光伏发电系统的不稳定性严重影响储能系统的使用寿命。文章基于扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter, EKF)实现超级电容的荷电状态(State of Charge, SOC)估算,并根据光伏输出的实时功率和超级电容的SOC,提出一种新型可控拓扑结构,实现超级电容与蓄电池的混合储能,减缓了蓄电池充电电压突变的影响。在MATLAB/Simulink 中搭建仿真模型,结果表明,在混合储能策略下,EKF估算 SOC 的误差在4%以内,明显抑制了蓄电池输入端电压的波动,可有效降低光伏输出不稳定性对蓄电池使用寿命的影响。

随着电网系统风电渗透率的提高,对所在地区电网的电能质量以及电能调度产生重大影响。为研究风电场在大扰动下的宏观动态响应特性,对风电场进行动态等值建模非常重要。针对风电场的动态等值建模研究,文章首先对现今主流的风机类型及其模型结构进行了简要介绍;然后对等值建模方法中的降阶法、单机等值法以及多机等值法做了比较和详细阐述,并对等值参数计算和集电网络等值进行了概述;最后总结了风电场动态等值建模尚存在的挑战,并对未来的研究方向进行了展望。

随着可再生能源和负荷预测精度的不断提升,风光储联合发电站和电力用户之间的电能直接交易具有了可行性。文章建立了风光储电站和电力用户之间电能直接交易的消纳模型。该模型以社会总效益最大化为目标,在传统模型的基础上,加入直购电合同中的电功率约束和储能相关运行约束,同时对于签订的总合同电量约束做出调整,并加入过网费和削减合同,惩罚权衡直购电量给系统带来的综合效益。结合生成的场景聚类,通过算例分析了风光储电站的日前优化结果,研究了合同电量限制因子、惩罚因子对直购电量和总社会经济效益的影响,结合纳什议价模型分析直购电价对利润均衡度的影响,验证了模型的实用性与有效性。

提升直流微网惯性是避免引入恒功率直流负载引发直流电压振荡的关键。考虑系统在不同电压变化率下对补充功率响应速率要求的差异,文章首先提出直流微网储能蓄电池端的多模式虚拟惯性控制策略,采用线性和指数两种模式以不同速率提供惯性功率,减小直流电压波动;其次,推导两种模式下的等效虚拟电容表达式,建立虚拟电容与电压调整间的动态关系;最后,搭建含储能的直流微网系统仿真模型,验证所提控制策略对直流电压稳定支撑的有效性。

针对可再生能源随机特性导致的工业耗能园区综合能源系统日前调度计划误差较大问题,文章提出了一种基于能源路由器控制特性的综合能源系统多时间尺度低碳调度策略。在日前优化调度阶段,综合考虑系统低碳性及经济性,以日运行成本及环境成本最小为目标优化设备出力;在日内调度阶段,考虑能源响应时间差异与源荷不匹配的问题,提出自适应时间尺度的日内滚动计划调度策略。根据系统日前调度后运行状态合理切换日内滚动计划调度周期,实现对日前调度计划的反复修正。仿真结果表明,文章所提方法可在不同时间尺度条件下减小可再生能源出力的波动性、负荷等因素对系统优化运行的影响,降低系统碳排放量,保障园区综合能源系统低碳、可靠运行。

为解决新能源电力系统因功率缺额引发系统频率、电压偏移等一系列安全问题,文章提出了一种基于POAGWOCSO算法的电力系统精准切负荷控制多目标优化方法。首先,从电力系统的安全性和经济性两个方面综合考虑电力系统稳定运行和分布式电源出力特性等各项约束条件,提出一种基于负荷分类的精准切负荷控制多目标优化模型;然后,为了增强传统鹈鹕优化算法(POA)全局与局部搜索能力之间的协调关系,克服优化算法在处理复杂问题时出现收敛过早、寻优范围不够、求解精度不高等问题,引入非线性惯性权重因子、灰狼优化算法(GWO)中狼群领导者策略以及纵横交叉法(CSO),对鹈鹕新的个体的位置进行更新;最后,基于改进后的 IEEE33 节点进行实证分析。分析结果表明,利用改进的POAGWO算法对紧急切负荷模型进行求解,实现了系统经济性及稳定性的协调控制。

波浪能浮标的能量转换效率由其水动力学性能决定。由设计经验可知,浮标的水动力学性能受吃水深度的影响较大。文章以波浪能浮标为研究对象,开展对浮标吃水深度的水动力学性能研究。首先介绍浮标的结构及工作原理;其次建立浮标在5种吃水深度工况下的仿真模型,进行数值模拟计算,获得浮标在设计工况下的水动力学参数及能量转换效率;最后进行物理模型试验,研究了6种吃水深度工况下浮标的俘获宽度比(Rcw),并与仿真结果进行对比分析。结果表明:当吃水深度为75mm时,模型Rcw最大为56.8%;吃水深度对浮标Rcw峰值分布影响较大;在特定的气动阻尼下,仿真模拟结果与物理模型试验结果拟合度较高,误差小于5%。