2021年度湖南省自然科學獎項目公示材料

2021年度湖南省自然科學獎項目公示材料一、項目名稱大型風電機組多層載荷與能量特性研究二、提名意見風電是國家“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略目標引領下的清潔能源發(fā)展重要方向，是湖南省“三高四新”戰(zhàn)略實施中新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要內(nèi)容。風電機組是由氣動、結(jié)構、電氣等多類部件組成的復雜機電系統(tǒng)，在風能捕獲與轉(zhuǎn)換過程中，承受復雜的多層載荷、呈現(xiàn)出復雜的能量特性。項目團隊10余年來得到國家自然科學基金持續(xù)資助，承擔了多項國家自然科學基金和湖南省自然科學基金項目，針對大型風電機組設計、服役過程關鍵問題，理論推演與現(xiàn)場數(shù)據(jù)挖掘相結(jié)合，圍繞大型風電機組多層載荷與能量特性開展了系列研究。發(fā)展了大型風電機組多層載荷建模理論與方法；揭示了風電機組多工況能量捕獲時空特性；構建了山地風電場風資源多維評價體系，揭示了山地風電場風資源與風電機組能量輸出全局特征關系。項目成果發(fā)表在《RenewableEnergy》《Energy》等國際權威學術期刊上，受到國內(nèi)外專家學者廣泛關注和正面引用。提名該項目為湖南省自然科學獎二等獎。三、項目簡介風電是國家“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略目標引領下的清潔能源發(fā)展重要方向，是湖南省“三高四新”戰(zhàn)略實施中新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要內(nèi)容。風電機組是由氣動、結(jié)構、電氣等多類部件組成的復雜機電系統(tǒng)，在風能捕獲、轉(zhuǎn)換過程中，承受復雜的多層載荷、呈現(xiàn)出復雜的能量特性。項目團隊10余年來得到國家自然科學基金持續(xù)資助，承擔了多項國家自然科學基金和湖南省自然科學基金項目，針對大型風電機組設計、服役過程關鍵問題，理論推演與現(xiàn)場數(shù)據(jù)挖掘相結(jié)合，圍繞大型風電機組多層載荷與能量特性開展了系列研究。項目主要工作和重要科學發(fā)現(xiàn)如下：（1）發(fā)展了大型風電機組多層載荷建模理論與方法，揭示了海上漂浮式風電機組失穩(wěn)的力學機理。提出了一種新的Leishman-Beddoes動態(tài)失速模型修正策略，建立了葉素動量理論（BEM）模型和動態(tài)失速聯(lián)合的風電機組空氣動力載荷模型，在此基礎上，構建了海上漂浮式風電機組多層載荷與運動模型，解決了海上漂浮式風電機組復雜運動的物理過程解析難題，揭示了海上漂浮式風電機組失穩(wěn)的力學機理，為大型風電機組設計與運行控制提供了載荷理論依據(jù)。（2）揭示了風電機組多工況能量捕獲時空特性，在國際上率先提出一種大型風電機組綜合性能老化評價方法?；陲L電機組風輪氣流空間流動機理和現(xiàn)場數(shù)據(jù)特征，提出了風電機組傳感參數(shù)空間補償新思路，獲得了風能利用效率的可靠算法；然后，重新劃分了風電機組能量捕獲（功率系數(shù)）損失因子，彌補了已有理論對風電機組能量效率認識的不足，揭示了風電機組多工況能量捕獲特征，在國際上率先提出一種大型風電機組綜合性能老化評價方法，為風電機組全壽命周期能量效率提升和運行維護提供了理論依據(jù)和算法支撐。（3）構建了山地風電場風資源多維評價體系，揭示了山地風電場風資源與風電機組能量輸出全局特征關系。宏觀統(tǒng)計分析了我國風能資源與風電輸出基本特征，提出了基于風電輸出與負荷特征匹配提高能量利用的新思路；選取南方典型山地風電場，基于地理空間信息特征多維度開展了風資源和能量輸出特性研究，從多個維度提出并構建了山地風電場風資源特征評價體系，揭示了山地風電場風資源與風電機組能量輸出全局特征關系，為風電場建設、風電機組設計與運維提供了知識支撐。研究成果發(fā)表在《RenewableEnergy》《OceanEngineering》《Energy》《AppliedEnergy》和《RenewableandSustainableEnergyReviews》等權威學術期刊上，受到國內(nèi)外專家學者廣泛關注和正面引用，所列8篇論文期刊的總影響因子為69.382（平均8.67/篇），在WebofScience數(shù)據(jù)庫中總他引222次，SCI他引187次（平均23次/篇）。1篇論文被可再生能源全球創(chuàng)新（RenewableEnergyGlobalInnovations）評選為“KeyWindEnergyArticle”。項目第一完成人于2020年受聘為湖南省“芙蓉學者獎勵計劃”特聘教授。四、客觀評價針對科學發(fā)現(xiàn)1：（1）美國MichiganTechnologicalUniversity的FernandoL.Ponta教授等在RenewableEnergy上發(fā)表論文（2016,92:157-170），評述本項目提出了一種L-B動態(tài)失速修正模型。引文：“Daietal.[23]whopresentedamodifiedLeishman-Beddoes[24]dynamicstallmodelincombinationwithBEMmodel.”。（文獻[23]為項目論文1）[附件9.1]（2）印度MotilalNehruNationalInstituteofTechnologyAllahabad(MNNIT)的K.K.Shukla教授等在RenewableEnergy上發(fā)表論文（2017,113:1378-1387），指出本項目提出一種新的動態(tài)失速模型計算空氣動力載荷。引文：“Daietal.[11]proposedanewdynamicstallmodeltocalculatetheaerodynamicloads.Theyobservedthatthepresenceofatower,windshear,……”。（文獻[11]為項目論文1）[附件9.2]（3）美國UniversityofNorthCarolinaatCharlotte的學者AixiZhou、澳大利亞UniversityofWesternSydney的學者HelenWu和上海電力大學張建平教授等人在OceanEngineering上發(fā)表論文（2014,84:14-19），評述了本項目在風電機組載荷分析方面取得的進展。引文：“Daietal.(2011)proposedasetofmethodstocalculateaerodynamicloadsoflargescalewindturbinesbycombiningbladeelementmomentummodifiedtheorywithadynamicstallmodel,andconcludedthat….”。（Daietal.(2011)為項目論文1）[附件9.3]（4）英國UniversityofDundee的AzinLamei教授等在JournalofOceanEngineeringandMarineEnergy上發(fā)表論文（2020,6(1):71-90）引用項目論文2作為論據(jù)支撐。引文：“AsimilarapproachisfollowedbyDaietal.(2018)foraone-waycouplednumericaltoolforanalysisofaFOWT.”。（Daietal.(2018)為項目論文2）[附件9.4]針對科學發(fā)現(xiàn)2：（5）法國、英國、奧地利、葡萄牙和德國5個國家學者聯(lián)合在RenewableEnergy上發(fā)表論文（2020,157:754-768），引用項目論文3和5，并將論文3列為了他們論文中“風電機組功率曲線對模型參數(shù)靈敏度分析時”所用參考值的來源。[附件9.5]（6）美國UniversityofMaryland,CollegePark的PeterSandborn教授等在WindEnergy上發(fā)表論文（2020,23:1408-1421），引用項目論文4的內(nèi)容作為他們的研究支撐依據(jù)。引文：“AsimilarrangeofvalueswasobservedbyDaietal.2whousedsupervisorycontrolanddataacquisition(SCADA)datafromawindfarm.”。（文獻2為項目論文4）[附件9.6]（7）北京航空航天大學錢政教授等在RenewableEnergy上發(fā)表論文（2020,160:1217-1227），評述了本項目在風向偏差對機組能量捕獲研究方面取得的進展。引文：“Ref.[9]studiedyawmisalignmentindifferentwindspeedconditionsbyanalyzingSCADAdata.Whenthewindspeedisbelowtheratedwindspeed,yawerroreffecthasanupwardtrend,butwhenthewindspeedexceedstheratedwindspeed,pitchsystemhasastrongerinfluenceonpowergeneration.”。（文獻[9]為項目論文4）[附件9.7]（8）美國NationalRenewableEnergyLaboratory（國家可再生能源實驗室）的S.Sheng（NREL風電狀態(tài)監(jiān)測首席）和英國NorthumbriaUniversity電力和控制系統(tǒng)研究領導者ZhiweiGao在RenewableEnergy上發(fā)表論文（2018,116:1-4），評述了本項目在大型風電機組綜合性能老化評價方面取得的重要進展。引文：“Inthepaper[19]contributedbyDaietc.,anagingassessmentofawindturbineisconductedbyinterpretingwindfarmSCADAdata.Fourdata-basedwindturbineagingassessmentcriteriaareinvestigatedtoassesstheaging-resultantperformancedegradationinwindturbines.Informationfusionisthenimplementedtoachieveareliableagingassessment…”。（文獻[19]為項目論文5）[附件9.8]針對科學發(fā)現(xiàn)3：（9）美國UniversityofCaliforniaDavis的NaelH.El-Farra教授、AhmetPalazoglu教授與新加坡NationalUniversityofSingapore學者XiaonanWang等在EnergyConversionandManagement上發(fā)表論文（2018,173:426-437），將項目論文6中有關內(nèi)容作為分析的參考依據(jù)。引文：“Withadvancesincomputationaltechnologies,SCADAortheproposedsystemscannowupdatestatesinnearreal-timeandinterfacetomorecomplexlocalcontrolalgorithms[46].Therefore,……”。（文獻[46]為項目論文6）[附件9.9]（10）西班牙UniversityofLasPalmasdeGranCanaria學者JoseA.Carta等在AppliedEnergy上發(fā)表論文（2020,280:115968），評述了本項目在風電場能量輸出特性研究方面取得的進展。引文：“Daietal.[6]attemptedtodeterminetheinfluenceofwindspeedanddirectionandrotorspeedonthepoweroutputofWTsinstalledinanon-dispatchablemountainWFusingmultiple-unitsdataregisteredwitha…....”。（文獻[6]為項目論文7）[附件9.10]（11）北京大學李雙成教授等在Renewable&SustainableEnergyReviews上發(fā)表論文（2020,132:110151）引用項目論文8并將論文作為他們分析的依據(jù)。引文：“Thus,excesselectricityislikelytobegeneratedduringoff-peakhours,resultingincurtailmentsofrenewableenergy[47].”。（文獻[47]為項目論文8）[附件9.11]（12）華中科技大學苗世洪教授和英國UniversityofWarwick學者XingLuo等在EnergyConversionandManagement上發(fā)表論文（2019,200:112091）,引用項目論文8并將有關風電產(chǎn)能的分析作為他們論文的依據(jù)。引文：“InChina,about41.9billionkWhwindpowerwascurtailedin2017,whichtakesabout13.7%oftotalwindpower[2].……anditscurtailmentratereached21%in2017,resultingintheeconomiclossof$180.8million[2,3].”。（文獻[2]為項目論文8）[附件9.12]五、代表作及論文目錄序號代表作及論文名稱/刊名/作者影響因子年卷頁碼（xx年xx卷xx頁）發(fā)表時間（年月日）通訊作者（含共同）第一作者（含共同）國內(nèi)作者（排序）他引總次數(shù)SCI他引次數(shù)知識產(chǎn)權是否歸國內(nèi)所有是否代表作1AerodynamicloadscalculationandanalysisforlargescalewindturbinebasedoncombiningBEMmodifiedtheorywithdynamicstallmodel/RenewableEnergy/J.C.Dai,Y.P.Hu,D.S.Liu,X.Long8.0012011年36卷3期1095-1104頁2011年3月劉德順戴巨川戴巨川,胡燕平,劉德順,龍辛6652是是2Modelingandinvestigationofloadandmotioncharacteristicsofoffshorefloatingwindturbines/OceanEngineering/JuchuanDai,WeiHu,XinYang,ShuyiYang3.7952018年159卷187-200頁2018年7月1日戴巨川戴巨川戴巨川,胡威,楊鑫,楊書儀54是是3ResearchonpowercoefficientofwindturbinesbasedonSCADAdata/RenewableEnergy/JuchuanDai,DeshunLiu,LiWen,XinLong8.0012016年86卷206-215頁2016年2月戴巨川戴巨川戴巨川,劉德順,文麗,龍辛3627是是4EffectinvestigationofyawonwindturbineperformancebasedonSCADAdata/Energy/JuchuanDai,XinYang,WeiHu,LiWen,YayiTan7.1472018年149卷684-696頁2018年4月15日戴巨川戴巨川戴巨川,楊鑫,胡威,文麗,譚雅翊2321是是5AgeingassessmentofawindturbineovertimebyinterpretingwindfarmSCADAdata/RenewableEnergy/JuchuanDai,WenxianYang,JunweiCao,DeshunLiu,XingLong8.0012018年116卷199-208頁2018年2月楊文獻戴巨川戴巨川,楊文獻,曹俊偉,劉德順,龍辛2724是是6Investigationofwindresourcecharacteristicsinmountainwindfarmusingmultiple-unitSCADAdatainChenzhou:acasestudy/EnergyConversionandManagement/JuchuanDai,YayiTan,WenxianYang,LiWen，XiangbinShen9.7092017年148卷378-393頁2017年9月15日戴巨川戴巨川戴巨川,譚雅翊,文麗，沈祥兵98是否7Investigationofenergyoutputinmountainwindfarmusingmultiple-unitsSCADAdata/AppliedEnergy/JuchuanDai,YayiTan,XiangbinShen9.7462019年239卷225-238頁2019年4月1日戴巨川戴巨川戴巨川,譚雅翊,沈祥兵98是否8DevelopmentofwindpowerindustryinChinaacomprehensiveassessment/RenewableandSustainableEnergyReviews/JuchuanDai,XinYang,LiWen14.9822018年97卷156-164頁2018年12月戴巨川戴巨川戴巨川,楊鑫,文麗4743是否合計222187六、主要完成人情況姓名排名行政職務技術職稱工作單位完成單位對本項目技術創(chuàng)造性貢獻戴巨川1副院長教授湖南科技大學湖南科技大學本項目組織者和主要完成人，是論文1-8第一作者，對科學發(fā)現(xiàn)1、2和3做出了重要貢獻，包括：（1）提出了俯仰力矩系數(shù)表達式進行修正策略，構建了BEM理論和動態(tài)失速聯(lián)合的風電機組氣動載荷計算模型；（2）構建了海上漂浮式風電機組多層載荷；（3）提出了風電機組能量捕獲（功率系數(shù)）損失因子新的劃分方法；（4）提出了風電場機組SCADA數(shù)據(jù)預處理和提取算法。該研究工作占本人工作量的80%。劉德順2教授湖南科技大學湖南科技大學論文1、3和5的學術思想主要提出者和完成人，論文1的通信作者，對科學發(fā)現(xiàn)1和2做出了重要貢獻，包括：（1）提出了動態(tài)失速法向力臨界值修正策略;（2）提出了風電機組傳感參數(shù)空間補償新思路；（3）提出了風電機組性能老化評價的思想。該研究工作占本人工作量的80%。楊文獻3教授湖南工程學院湖南工程學院論文5、6主要完成人，論文5的通信作者，對科學發(fā)現(xiàn)2和3做出了重要貢獻，包括：（1）設計了風電機組老化評價性能指標及其量化算法；（2）提出了提高風電機組性能評估指標穩(wěn)定性的思路；（3）提出了風資源特征分析風向波動系數(shù)計算算法。該研究工作占本人工作量的60%。胡燕平4教授湖南科技大學湖南科技大學論文1主要完成人，對科學發(fā)現(xiàn)1做出了重要貢獻，包括：（1）提出了深度失速區(qū)域內(nèi)弦向力系數(shù)修正策略；（2）提出了后緣分離流條件下的俯仰力矩系數(shù)求解修正策略。該研究工作占本人工作量的60%。楊書儀5所長教授湖南科技大學湖南科技大學論文2的主要完成人，對科學發(fā)現(xiàn)1做出了貢獻，包括：（1）構建了海上漂浮式風電機組運動模型；（2）解決了海上漂浮式風電機組復雜運動的物理過程解析難題。七、主要完成單位情況排名完成單位創(chuàng)新推廣貢獻1湖南科技大學本單位為項目牽頭單位，負責組織、協(xié)同各單位開展項目研究工作，提出了一種新的動態(tài)失速模型修正策略，建立了葉素動量理論（BEM）模型和動態(tài)失速聯(lián)合的風電機組空氣動力載荷模型，構建了海上漂浮式風電機組多層載荷與運動模型；提出了風電機組傳感參數(shù)空間補償新思路和風電機組能量捕獲（功率系數(shù)）損失因子劃分新方法，構建了山地風電場風資源多維評價體系，揭示了山地風電場風資源與風電機組能量輸出全局特征關系；為項目研究配備了相關實驗設備和工作場地，有力地確保了項目研究的正常實施。2湖南工程學院本單位為揭示風電機組多工況能量捕獲時空特性、山地風電場風資源與能量輸出特征關系做出了貢獻，設計了風電機組老化評價性能指標及其量化算法，提出了提高風電機組性能評估指標穩(wěn)定性的思路，提出了風資源特征分析的風向波動系數(shù)計算算法；為項目研究提供了相關實驗設備和工作場地支持。八、主要完成人合作關系說明本項目成果是由湖南科技大學、湖南工程學院合作組建創(chuàng)新團隊，分工合作取得的，項目完成人之間形成了穩(wěn)定的合作關系。項目第2完成人劉德順系第1完成人戴巨川博士生導師，合作完成論文3篇（見合作關系情況匯總表）；項目第4完成人胡燕平系第1完成人戴巨川博士生副導師，合作完成論文1篇。戴巨川、劉德順、胡燕平合作完成論文“AerodynamicloadscalculationandanalysisforlargescalewindturbinebasedoncombiningBEMmodifiedtheorywithdynamicstallmodel”，發(fā)表在國際權威期刊《RenewableEnergy》上；戴巨川、楊書儀合作完成論文“Modelingandinvestigationofloadandmotioncharacteristicsofoffshorefloatingwindturbines”，發(fā)表在國際權威期刊《OceanEngineering》上；戴巨川、劉德順合作完成論文“ResearchonpowercoefficientofwindturbinesbasedonSCADAdata”，發(fā)表在國際權威期刊《RenewableEnergy》上；戴巨川、劉德順、楊文獻合作完成論文“AgeingassessmentofawindturbineovertimebyinterpretingwindfarmSCADAdata”，發(fā)表在國際權威期刊《RenewableEnergy》上；戴巨川、楊文獻合作完成論文“Investigationofwindresourcecharacteristicsinmountainwindfarmusingmultiple-unitSCADAdatainChenzhou:acasestudy”，發(fā)表在國際權威期刊《EnergyConversionandManagement》上。

主要完成人合作關系情況匯總表序號合作方式合作者/排名合作時間合作成果證明材料1論文合著戴巨川/1劉德順/2胡燕平/42009.09-2019.04AerodynamicloadscalculationandanalysisforlargescalewindturbinebasedoncombiningBEMmodifiedtheorywithdynamicstallmodel論文（D