清华大学能源与动力工程系人工心脏研究进展

离心式血泵作为最新一代人工心脏,为心血管疾病患者提供了有效的生命支持系统,挽救了数以百万计的心脏病患者的生命。该文对清华大学能源与动力工程系(简称能动系)团队在人工心脏领域的研发进展进行了详细介绍,包括:提出了以最大标量剪切应力(maximum scalar shear stress, MSSS)代替标准溶血指数作为优化指标的优化方法,减少了计算量,提升了优化效率;提出了基于湍流黏性耗散应力(turbulent viscous shear stress, TVSS)的血细胞损伤模型,以便更为准确地预测血细胞的损伤等。在人工心脏样机方面,顺利完成了体外式轴承和植入式磁液混合悬浮两种样机的研制,并获得了相应水力性能数据,实验数据与计算结果吻合较好,误差为3.6%。为了进一步推进样机研发,本研究团队搭建了医用流体机械综合测试平台,可用于测试人工心脏的生理性能。上述研究成果体现了清华大学能动系在人工心脏自主研发技术上取得的重要进展。

启源往世 致力新篇——庆祝清华大学能源与动力工程系建系90周年专刊序言

清华大学能源与动力工程系的前身是1932年设立的机械工程学系原动力工程组,1952年成立动力机械系,1978年改名为热能工程系,2017年更名为能源与动力工程系。现下设热能工程、工程热物理、燃气轮机、热能动力仿真与控制和流体机械及工程5个研究所,并建有清华大学燃烧能源中心。能源与动力工程系设有能源与动力工程本科专业和动力工程及工程热物理一级学科。

计及源-荷匹配的多区域多类型新能源系统优化规划方法

合理利用新能源出力互补性可平抑其出力波动性,在新能源规划中考虑互补性可令新能源规划布局更为合理。基于此,文中考虑新能源出力互补性,研究计及源-荷匹配的新能源系统优化规划方法,利用新能源总出力与负荷的正相关特性,保持新能源总出力与负荷的动态平衡。首先,基于源-荷匹配思想,提出描述新能源出力与负荷贴近程度的均衡度指标以及描述新能源出力与基准负荷一致程度的一致性指标。然后,建立计及源-荷匹配的多区域新能源系统优化规划模型,并通过引入新能源出力与负荷匹配均衡度约束来保证两者变化特性一致。最后,以我国北方4个区域的电网为例进行算例分析。研究结果表明,计及源-荷匹配的新能源系统优化规划可以综合考虑新能源消纳率和渗透率,为考虑新能源出力互补性的新能源规划布局提供解决方案。

火电厂源侧综合能源系统集成及性能评估研究

本文建立了以火电厂为核心,消纳可再生能源并提供冷热电汽综合能源服务的一套能源系统,通过对整体系统及关键子系统热力性能分析,验证了提出模型和方法的有效性。并研究了一些关键运行参数对系统综合性能的影响,验证了提出模型和方法的有效性和优越性。结果表明:通过改变火电厂的源侧参数,可以提高综合能源系统荷侧的输出量;且生物质转化气对汽轮机发电功率的影响最大。热泵系统的负荷随着进入系统中的给水流量的增大而增大,利用汽轮机中的部分抽汽来驱动热泵系统,虽然发电功率下降了10.88%,但是却为用户提供了16.8MW的热负荷和16.2MW的冷负荷以及27.78t/h的蒸汽量。

基于特征筛选的综合能源系统多元负荷日前-日内预测

负荷预测是指导综合能源系统调度与运行的前提。为更加经济高效地实施系统日前计划、日内优化,提出一种基于特征筛选的多元负荷日前-日内预测方法。首先,结合特征工程中3类特征筛选方法筛选预测模型输入特征,简化模型的同时能够保存下最重要的特征,针对日前-日内预测策略分别确立输入特征集;然后通过多任务学习硬共享机制,采用长短期记忆神经网络建立预测模型,实现不同子任务信息共享,并通过随机搜索方法优化网络参数以提高预测精度;最后以北京某产业园区供暖季电、热负荷为案例进行分析,日前、日内预测综合精度分别达到91.3%和95.2%。分析结果表明,该预测方法能够为系统日前调度和日内运行优化提供良好支撑,且预测结果优于未经特征筛选预测和单独负荷预测,证明了该预测方法具有更高的预测精度。

能源与动力工程专业卓越工程师培养模式研究与实践

根据卓越工程师教育培养计划的特点和需求,从专业综合改革、校企合作模式、科技创新实践活动的角度论述了能源与动力工程专业卓越工程师培养的改革与实践。主张结合卓越工程师人才培养定位改进培养模式、合理设计企业阶段培养计划,共同制定培养方案、共享人才资源、建立企业工程教育实践基地等方式拓展校企合作互动模式,加强校内创新实践平台建设和课程改革、创新型课程建设、科技创新竞赛指导,探索深层次的卓越工程师人才培养机制,以期使学生具备满足社会需要的工程实践能力。

中国能源系统能流、㶲流与能效分析

能源领域贡献了中国近90%的碳排放,对能源系统能流与能效的多维刻画及分析对碳中和路径的顶层设计具有极其重要的作用。能量具有“数量”与“品质”的双重属性,将能量的数量分析法和品质分析法相结合,分别从热力学第一定律能流和热力学第二定律㶲流的视角,研究并刻画了2010年和2020年中国能源系统的能流图和㶲流图。并从能源生产、加工、转换、消费等角度,对比分析了中国能源系统能源各链条能流、能效与损失的特征。发现2010年和2020年中国终端能源效率从74.52%提升至79.04%,同时能源结构向绿色低碳转型。但同期中国能源系统的㶲效率仅分别为17.44%和23.91%,能源转换的㶲损失仍较大,存在大量的电能低质利用、热能不匹配利用、能源原料燃烧利用等过程。最后,就双碳目标下中国能源效率从能流视角走向㶲流视角的提出了相关建议。

能源与动力工程专业学生实践能力培养探究

从专业认识实习、工程案例、实验教学、针对性现场实践和基于实际工程的课程设计角度,对能源与动力工程专业学生能力的培养模式开展探讨。

基于火电厂源侧的综合能源系统集成及优化配置研究

提出一种基于火电厂源侧的综合能源系统构型,该系统以火电机组为核心,在系统的输入端耦合生物质气化、垃圾气化、干化污泥等多种可再生能源输入,在输出端供应冷、热、汽、电等多种能源产品,并将电厂热平衡模型与可再生能源模型及制冷制热系统模型耦合,建立以[火用]效率和经济性为目标的优化配置方法,采用输入端优化与输出端优化2类优化逻辑,从系统输入端、输出端来分析火电厂源侧综合能源系统主要运行参数对经济性和[火用]效率优化目标的影响。结果表明:综合能源改造对现阶段火电厂具有积极意义。

我国高碱煤燃烧特性研究和工程应用进展

我国具有丰富的高碱煤资源。从基础研究、关键技术和工程实践等方面对高碱煤燃烧技术的研究和工程应用进展做一个较为全面的综述和总结,特别介绍了液态排渣锅炉全烧新疆高碱煤的机理研究和实践最新状况,以期为后续开发更为经济、可长期安全大比例掺烧甚至纯烧新疆高碱煤的燃烧技术提供参考。

热能与动力工程专业多元化人才培养模式探索

在分析现阶段能源与动力工程专业人才培养存在问题的基础上,以中国石油大学(华东)能源与动力工程专业人才培养模式为例,介绍了热能与动力工程多元化人才培养目标定位、顶层设计原则及总体思路,并实现了多元化培养模式与专业方向的统一。

生物质循环流化床机组协调系统模型研究

针对生物质循环流化床(CFB)机组,通过机理分析,研究了生物质燃烧的动态过程,建立了生物质CFB锅炉燃料侧燃烧模型。通过能量守恒,确定了生物质CFB机组汽水侧和汽机侧主要参数之间的函数关系,建立了负荷控制系统模型。基于某30 MW生物质CFB机组实际运行数据,通过稳态工况推导、回归分析和遗传算法辨识了模型的参数和函数关系,在Simulink软件平台验证了模型的结果并进行了模型阶跃试验。结果表明:模型的输出与实际数据能较好地吻合,主蒸汽压力、负荷的平均相对误差均在4%以内,阶跃响应符合实际经验,证明建立的模型能够反映机组的动态特性。

首都住宅建筑燃料电池热电联供系统建模与能量供需分析

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)热电联供(combined heat and power,CHP)系统作为一种建筑供能新手段,可有效降低建筑运行能耗、推动能源绿色低碳转型。针对北方地区住宅建筑电热需求大且热电矛盾突出,全年负荷波动大等特点,以北京市为代表,利用DeST软件对住宅建筑进行负荷分析并搭建燃料电池热电联供系统模拟平台,研究不同参数对联供系统性能的影响;以负荷特性和参数分析结果为依据,设计一年不同时段下北京住宅建筑管理策略:冬季采用“以热定电”,其余季节均采用“以电定热”;与基线系统相比,在春、夏、秋、冬4个典型日中联供系统天然气耗气量分别减少了39.16%、31.63%、36.01%和14.04%,对热电联供系统用于未来建筑供能具有一定借鉴意义。

基于预期动态方程的含高比例可再生能源孤岛运行微电网负荷频率控制

针对高比例可再生能源并入微电网带来的负荷频率控制问题,提出基于预期动态方程的比例-积分-微分(PID)控制策略.在分析微电网负荷频率控制模型和控制难点的基础上,设计基于预期动态方程的PID控制策略,采用单一变量法分析控制器参数对控制效果的影响,总结了简单、实用的参数整定流程,并在微电网负荷频率控制系统中应用.在不同工况下与多种控制器进行仿真对比,结果表明:所提控制策略能够在保证鲁棒性的前提下取得最佳控制效果,展现出很高的工程应用价值.

半球向全发射率测量实验教学系统设计与开发

针对传统半球向全发射率测量教学实验装置测试精度不高、温度量程低的问题,该文基于稳态量热方法设计了高温半球向全发射率测量实验教学系统,进行了样品测试区域热量损失的校准,该系统具有方法原理简单、测试精度高等特点。通过测量获得不同温度下的材料半球向全发射率,便于同学们理解半球向全发射率与材料热辐射能力的相关性、光谱发射率与不同温度下的半球向全发射率的关联关系,实验测试结果可靠,满足热工系列课程研究型实验教学的需求。

基于耦合分析的热流系统协同设计

作为综合能源系统的一部分,热流系统通常在稳态假设下设计其物理系统,在此基础上设计控制器.这种方法忽略了系统与控制器设计间的耦合关系,导致系统暂态性能不佳.为此,本文提出一种协同设计方法,以系统总质量、熵产率以及控制效果为设计度量,基于热流系统数学模型及其熵产率模型,结合嵌套设计方法和同步设计方法完成系统设计.考虑到设计过程中设计参数多、变量范围大的问题,引入时间序列模式距离,构造相关度度量函数来分析物理系统与控制器之间的耦合关系,从而减少非耦合参数.同时,利用数据分析方法进一步缩小了待设计参数范围.为验证方法的有效性,以一个理想热流系统为设计实例,仿真结果表明,通过相关度度量函数及其数据分析,可以将设计参数个数减少66%,选取范围缩小26%.相比于传统顺序设计方法,经过协同设计方法设计的系统控制误差可减少29%,且设计控制器抗扰能力也优于频域方法和SIMC方法.

大流量农业灌溉泵转子动力学特性研究

灌溉是保障农业稳定发展的手段,随着现代农业的发展,对灌溉水泵的需求日益增加。大流量灌溉泵因其独特的工作环境和要求,它的叶片通常具有扭曲度大和宽等特点。作为转子系统中重要的部分,叶轮及转子部件的变形与强度对灌溉泵整个系统的安全性能和效率都有很大影响。以大流量灌溉泵为研究对象,使用Ansys-Workbench软件对其大流量区进行有限元研究,对转子部件分别进行变形与强度分析和模态分析。结果表明,在流量为500 m^(3)/h时,叶片受最大等效应力为23.83 MPa,此时出现叶片最大形变值为0.341 mm,最大变形区域都出现在叶片边缘处。大流量工况下,对比不同流量工况的各阶固有频率,在各阶振型中流量大小与转子系统的固有频率没有显著关系,但不同材料明显地影响大流量灌溉泵的转子的固有频率。

移动式固体氧化物燃料电池系统集成技术研究现状与进展

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)是一种能量转换装置,可以通过电化学反应将燃料中的化学能直接转换为电能。目前,SOFC大多被视为固定式发电技术,然而因其具有燃料灵活性、高效率和高能量密度等特点,在移动式发电领域如辅助动力、无人机动力、远程电源等也具有广阔应用前景。与固定式SOFC应用相比,移动式SOFC研究进展起步相对较晚,技术较不完善。移动式SOFC系统通常包括电堆、重整器、供气装置、尾燃器、换热器和储能组件等核心组件。开发SOFC移动系统需要考虑系统的鲁棒性、易用性以及发电能力等,而移动式SOFC系统部件相对较复杂,这些部件的耦合匹配特性又会显著影响系统的紧凑性、启动特性及体积/质量功率密度。从热特性、启动策略及高功率密度混合动力系统集成等方面对国内外移动式SOFC系统集成技术的研究进展进行综述。最后,基于对现有研究成果的总结提出了未来移动式SOFC系统集成中存在的挑战,及在材料与工艺的改进、新型启动策略和混合系统设计与优化等方面的发展方向。

主蒸汽压力系统的基于预补偿自抗扰控制设计

火电机组主蒸汽压力系统为典型的大惯性过程,其控制策略的设计存在着响应速度慢、抗干扰能力不足的问题。为解决主蒸汽压力系统的上述控制难点,提出了一种基于预补偿自抗扰控制的优化设计方法,将控制量通过预补偿结构后再送入被控对象,从而对常规自抗扰控制结构进行改进。在介绍基于预补偿自抗扰控制结构的基础上,通过单一变量法分析各个参数对于控制效果的影响,从而给出了其参数整定的流程。仿真结果表明:所提方法的跟踪状态、抗干扰状态和包含跟踪以及抗干扰状态下的绝对误差积分指标分别占对比方法的52.38%、60.75%和57.88%,从而验证了所提方法在提升主蒸汽压力系统的跟踪和抗干扰能力方面的优势;通过蒙特卡洛实验验证了所提方法能够很好地应对系统的不确定性。

双离子电池中阴离子可逆体系设计与正极材料研究进展

双离子电池(DIBs)基于在充电/放电过程中将阳离子和阴离子分别储存在正极和负极的工作机制,具有工作电压高、成本低和安全性出色等优点,在高效储能方面比锂离子电池更受关注。本文系统全面地综述了DIBs的基本储能原理及阴离子可逆体系理论基础,并回顾了当前DIBs最新进展。以非水系和水系双离子电池为切入点,详细介绍了DIBs正极上阴离子可逆电对设计种类,以及石墨、有机和金属层状正极材料分类及目前的研究进展。此外,还提出了一些策略和展望,希望促进DIBs未来在基础研究和产业化上的进一步发展。