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本书介绍了高效可再生能源发电系统及并网技术，理论与实用性并重，内容主要包含电力系统、光伏发电和风力发电系统，以及其他可再生能源发电技术三部分。第壹部分内容从电路的基本原理出发，由浅入深地给出了比如功率因数、三相电力系统、电能质量等专业知识点，也特别回顾了现代电力工业的发展历程和相关政策法规的演化史，使读者能尽快地掌握和熟悉电力系统的基本原理和发展历史；第二和第三部分内容主要涉及高效可再生能源发电系统关键技术，包括将太阳能转换为电能的光伏组件及光伏发电、光伏抽水等应用系统技术，风能和风力发电系统的相关技术，以及近年来新兴的光热发电、波浪能发电、潮汐能发电、水力发电、生物质发电、地热发电、抽水蓄能发电等技术。*后以智能电表两侧的可再生能源发电系统与并网电力系统的运行经济性分析为切入点，针对性地介绍了需求侧响应、热电联产、电能储能、燃料电池等关键技术。
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| 內容簡介： |
本书介绍了高效可再生能源发电系统及并网技术，理论与实用性并重，内容主要包含电力系统、光伏发电和风力发电系统，以及其他可再生能源、能源效率和智能电网三部分。第壹部分内容从电路的基本原理出发，由浅入深地给出了诸如功率因数、三相电力系统、电能质量等专业知识点，也特别回顾了现代电力工业的发展历程和相关政策法规的演化史， 使读者能尽快地掌握和熟悉电力系统的基本原理和发展历史；第二和第三部分内容主要涉及高效可再生能源发电系统关键技术，包括将太阳能转换为电能的光伏组件及光伏发电、光伏抽水等应用系统技术，风能和风力发电系统的相关技术，以及近年来新兴的光热发电、波浪能发电、潮汐能发电、水力发电、生物质发电、地热发电、抽水蓄能发电等技术。*后以智能电表两侧的可再生能源发电系统与并网电力系统的运行经济性分析为切入点，针对性地介绍了需求侧响应、热电联产、电能储能、燃料电池等关键技术。
本书可作为电气和机械工程本科生和研究生的教科书，但由于它内容非常丰富，也可以作为相关专业的工程技术人员、研究人员和能源决策人员的参考资料。
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| 關於作者： |
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Gilbert M. Masters斯坦福大学电气工程专业博士学位，主要从事能源与环境，特别是高效可再生能源方向的相关教学工作。目前他是斯坦福大学土木与环境工程专业的名誉教授，已经出版了多部关于环境工程的著作。
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| 目錄：
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目录
译者的话
原书前言
第１章 美国电力工业史１
１１ 电磁学：电力基本知识１
１２ 爱迪生和西屋的早期之争２
１３ 电力公司的监管制度４
１３１ １９３５年公用事业控股公司法案４
１３２ １９７８年公用事业管理政策法案５
１３３ 公用发电与自用发电５
１３４ 向非公用事业发电厂开放电网６
１３５ 竞争性市场的出现７
１４ 电力基础设施：电网１１
１４１ 北美电网１１
１４２ 电力供需平衡１３
１４３ 电网稳定性１６
１４４ 行业数据１７
１５ 电力基础设施：发电２０
１５１ 基荷蒸汽发电厂２１
１５２ 燃煤蒸汽发电厂２２
１５３ 燃气轮机发电２５
１５４ 联合循环发电厂２６
１５５ 综合气化联合循环发电厂２６
１５６ 核能发电２８
１６ 常规发电厂相关财务知识３１
１６１ 年度固定成本３１
１６２ 均化发电成本３３
１６３ 筛选曲线３５
１６４ 负荷时间曲线３６
１６５ 碳成本和其他外部费用３９
１７ 小结４０
参考文献４０
第２章 电路、磁路基础４２
２１ 电路简介４２
２２ 重要电气量定义４３
２２１ 电荷４３
Ⅷ 高效可再生能源发电系统及并网技术（原书第２版）
２２２ 电流４３
２２３ 基尔霍夫电流定律４４
２２４ 电压４６
２２５ 基尔霍夫电压定律４６
２２６ 功率４７
２２７ 功（能量） ４７
２２８ 小结４８
２３ 理想电压源、电流源４８
２３１ 理想电压源４８
２３２ 理想电流源４９
２４ 电阻４９
２４１ 欧姆定律４９
２４２ 电阻串联５０
２４３ 电阻并联５１
２４４ 分压器５２
２４５ 导线电阻５３
２５ 电容５７
２６ 磁路简介５９
２６１ 电磁变换５９
２６２ 磁路６０
２７ 电感６２
２７１ 电感的物理特性６２
２７２ 电感的电磁特性６４
２８ 变压器６６
２８１ 理想变压器６７
２８２ 励磁损耗６９
第３章 电力系统基础７２
３１ 电压和电流有效值７２
３２ 正弦电压激励下的理想元件７４
３２１ 理想电阻７４
３２２ 理想电容７６
３２３ 理想电感７８
３２４ 阻抗７９
３３ 功率因数８２
３３１ 功率三角形８３
３３２ 功率因数调整８５
３４ 单相三线制居民供电８６
３５ 三相供电系统８９
３５１ 对称性联结供电系统８９
目录 Ⅸ
３５２ △联结三相供电系统９４
３６ 同步发电机９５
３６１ 旋转磁场９６
３６２ 同步发电机相量模型９８
３７ 输电和配电９９
３７１ 输配电网损９９
３７２ 输配电系统中的无功功率Ｑ １０２
３７３ 有功功率和无功功率对线路压降的影响１０３
３８ 电能质量１０６
３８１ 谐波简介１０７
３８２ 总谐波畸变１０９
３８３ 谐波与中线过载１１０
３８４ 变压器内部谐波１１２
３９ 电力电子学１１２
３９１ 交流－直流变换１１２
３９２ 直流－直流变换１１５
３９３ 直流－交流逆变１１９
３１０ 背靠背电压源变换器１２１
参考文献１２２
第４章 太阳能资源１２３
４１ 太阳光谱１２３
４２ 地球轨道１２６
４３ 正午太阳高度角１２８
４４ 一天中任意时刻的太阳位置１３１
４５ 用于遮蔽分析的太阳轨迹图１３４
４６ 利用阴影图进行遮蔽分析１３６
４７ 太阳时与时钟时１３９
４８ 日升日落１４１
４９ 晴天太阳直射１４３
４１０ 晴天日照强度１４６
４１０１ 直射辐射１４６
４１０２ 散射辐射１４７
４１０３ 反射辐射１４９
４１０４ 太阳跟踪系统１５０
４１１ 月均晴天日照强度１５５
４１２ 太阳辐射测量１５９
４１３ 正常环境下日照强度１６２
４１３１ 太阳能采集板上的典型气象年日照强度１６２
４１４ 月均日照强度１６５
Ⅹ 高效可再生能源发电系统及并网技术（原书第２版）
参考文献１７２
第５章 光伏材料及电气特性１７３
５１ 简介１７３
５２ 半导体基本原理１７４
５２１ 带隙能１７５
５２２ 带隙能对光伏效率的影响１７８
５２３ ＰＮ结１８０
５２４ ＰＮ结二极管１８２
５２５ 通用光伏电池１８４
５３ 光伏材料１８５
５３１ 晶体硅１８５
５３２ 非晶硅１８８
５３３ 砷化镓１８９
５３４ 碲化镉１９０
５３５ 铜铟镓硒１９１
５４ 光伏电池的等效电路１９２
５４１ 光伏电池的简化等效电路１９２
５４２ 光伏电池的精确等效电路１９４
５５ 从电池单元到模块、阵列１９７
５５１ 从电池单元到电池模块１９８
５５２ 从光伏电池模块到光伏阵列２００
５６ 标准测试条件下的光伏电池电流－电压曲线２０１
５７ 温度和日照强度对电流－电压曲线的影响２０４
５８ 遮蔽对电流－电压曲线的影响２０６
５８１ 光伏电池被遮蔽的物理原理２０６
５８２ 采用旁路二极管和阻流二极管改善遮蔽影响２０９
５９ 最大功率点跟踪器２１２
５９１ 降压－升压变换器２１２
５９２ 最大功率点跟踪控制器２１６
参考文献２１９
第６章 光伏发电系统２２０
６１ 简介２２０
６２ 电表用户侧的并网光伏发电系统２２０
６２１ 并网光伏发电系统组件２２０
６２２ 微型逆变器２２２
６２３ 净电能计量和上网电价２２４
６３ 光伏发电系统性能预测２２５
６３１ 与温度无关的光伏发电功率降额２２５
６３２ 与温度相关的光伏发电功率降额２２９
目录 Ⅺ
６３３ 光伏发电系统运行的峰值小时预测方法２３２
６３４ 估算光伏电池标准化发电量２３４
６３５ 光伏并网系统的容量系数２３５
６３６ 实际设计中需考虑的相关事项２３６
６４ 光伏发电系统相关经济问题２３９
６４１ 光伏发电系统成本２３９
６４２ 摊销成本２４１
６４３ 现金流分析２４４
６４４ 居民的电费费率结构２４６
６４５ 商业和工业的电费费率结构２４８
６４６ 商业建筑光伏发电系统的经济性２５０
６４７ 购电协议２５１
６４８ 具备公网供电容量的光伏发电系统２５２
６５ 带储能的独立光伏发电系统２５３
６５１ 独立光伏发电系统相关组件２５４
６５２ 自控式光伏电池模块２５５
６５３ 负荷预测２５７
６５４ 假设带有最大功率点跟踪器开始光伏电池阵列设计２６０
６５５ 电池２６２
６５６ 铅酸电池基本原理２６３
６５７ 电池存储容量２６５
６５８ 用库仑效率代替能量效率２６８
６５９ 电池容量设计２６９
６５１０ 不带最大功率点跟踪器的光伏电池阵列设计２７２
６５１１ 简单的设计模板２７４
６５１２ 独立光伏发电系统的成本２７７
６６ 光伏抽水系统２７９
６６１ 光伏抽水系统的电气部分２８０
６６２ 液压泵特性曲线２８１
６６３ 液压系统特性曲线２８４
６６４ 综合性能预测２８７
参考文献２８９
第７章 风力发电系统２９１
７１ 风力发电的发展史２９１
７２ 风力机技术：风轮２９５
７３ 风力机技术：风力发电机２９８
７３１ 定速同步发电机２９８
７３２ 笼型感应发电机２９９
７３３ 双馈感应发电机３０１
Ⅻ 高效可再生能源发电系统及并网技术（原书第２版）
７３４ 变速同步发电机３０１
７４ 风能３０２
７４１ 空气密度的温度和高度校正３０４
７４２ 塔筒高度的影响３０６
７５ 风力机输出功率曲线３０９
７５１ 贝茨极限３０９
７５２ 理想风电机组输出功率曲线３１１
７５３ 实际功率曲线３１２
７５４ 国际电工委员会对风电机组的分类３１５
７５５ 风速测量３１６
７６ 平均风功率密度３１７
７６１ 离散风速直方图３１７
７６２ 风电概率密度函数３２０
７６３ 威布尔和瑞利统计３２１
７６４ 利用瑞利统计计算平均风功率密度３２２
７６５ 风力分级３２４
７７ 风电机组发电量估算３２５
７７１ 风速累积分布函数３２６
７７２ 实际功率曲线的威布尔统计３２８
７７３ 一种估算容量系数的简便方法３３３
７８
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| 內容試閱：
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原书前言
本书从实用性的角度量化分析、全面介绍了多种不同类型的可再生能源系统。对于每一种可再生能源系统，都会介绍其理论背景，给出与系统设计和性能分析有关的实际工程参数，以及评价该系统效益的经济方法。本书重点介绍了目前发展最快、最有前景的风能和太阳能技术，此外也介绍了潮汐和波浪发电、地热、生物质能、水电和储能等技术。本书的最后一章介绍了连接供需双方需求的智能电网技术。
本书的目标读者是工程技术人员和其他关注该技术的不同类型读者。例如，我在斯坦福大学讲授的该内容课程就没有先修要求，选修该课程的学生中大约一半是本科生，一半是研究生。目前几乎所有学生都来自工科和理科，但是商科学生也越来越多。本书旨在提供大量完整的、贯穿始终的举例，来鼓励读者自学。书中几乎每一种适合定量分析的可再生能源系统都用这样的举例方式进行讲述。
这是本书的第２版，与第１版相比，内容进行了更新和重组，补充了大量新素材，既有以新章节形式出现的，也有在第１版既有章节基础上深化补充的内容。新内容包括了波浪能和潮汐能发电、抽水蓄能、智能电网和地热发电等。本书也增补了电气工程基础知识的介绍，以便于过渡到电气工程领域的其他高级课程，内容包括相量法、无功功率和有功功率、直流－直流变换和直流－交流变换器件，以及发电机等相关技术。可再生能源系统不仅涉及流行的电气及控制技术，而且已经成为了一项庞大的产业。在这一版中，也对大规模常规和可再生能源项目的财务分析进行了更多的深入探讨。
本书由三部分组成：
Ⅰ电力工业背景介绍（第１～３章）； Ⅱ光伏发电和风力发电系统（第４～７章）； Ⅲ其他可再生能源、能源效率和智能电网（第８、９章）。Ⅰ电力工业背景介绍（第１～３章）：主要介绍了电力工业相关技术（第１ 章），包括常规发电厂技术、电网的监管和运行技术，以及核准发电成本等财务知识。对于刚接触基础电气元件和电路的读者，或者需要快速复习该部分知识的读者，请参阅第２章，可以让具备中专水平的读者快速掌握这些电气基本知识。对于已经掌握了电气基础知识的学生，可跳过第２章，直接学习第３章，第３ 章为非电气工程专业的学生提供了电气工程高级课程的相关知识。目前，许多以往不太重视电气工程专业的学校对这一领域的关注度也日益增长。Ⅱ光伏发电和风力发电系统（第４～７章）：这部分内容是本书的核心。第４ 章介绍了太阳能资源，包括太阳高度角、日照遮蔽问题、晴天日照强度、直接和间接太阳辐射（集中式太阳能技术），以及针对某一地点，如何用典型气象年的每小时太阳能数据来开展分析工作。第５章介绍了光伏材料以及电池、模块和阵列的电气特性。有了这些背景知识，读者可以理解云遮对光伏性能产生的巨大影响，以及如何使用现代电力电子技术来降低这些影响。第６章介绍的是光伏发电系统，包括与公共电网并网运行的可独立电量计量的屋顶光伏发电系统，以及带有电池储能的离网运行光伏发电系统。目前，市场上占主导地位的是并网型的光伏发电系统，但是具备微网运行能力的离网式光伏发电系统开始对供电市场产生越来越大的影响。这两种类型的光伏发电系统的经济性都受到了很大的关注。第７章介绍了风力发电系统，包括风资源的统计特性、风力发电技术的最新进展以及如何有效地结合两者来实现优异的风力发电出力特性。风力发电目前在可再生能源市场占据着主导地位，数十亿美元的投资资金流入到了该领域，因此本章对此类投资的财务分析给予了重点关注。Ⅲ其他可再生能源、能源效率和智能电网（第８、９章）：第８章介绍了包含蓄热装置的聚焦式太阳能发电系统，可真正意义上实现电力输出可调控。还介绍了两种新兴的海洋发电技术：潮汐能发电和波浪能发电。它们在一定程度上表现出了相当可观的应用前景，原因是它们的功率输出变化比风能和太阳能更易预测。这一章还介绍了水力发电，包括微型水力发电系统（同样适用于新兴市场） 和抽水蓄能系统，它们可为其他类型出力波动的可再生能源提供备用电力。在这一章的最后，介绍了生物质发电和地热发电系统。第９章以计量电表的两侧为分界，描述了可再生能源的出力变化与具备需求响应能力的可控负荷相互作用时遇到的系列问题。本章先介绍了智能电网相关知识， 随后介绍了电网高级控制所需要的先进计量设施和技术，以及如何有效控制负荷的需求响应以应对可再生能源出力的变化。本章还介绍了蓄电池在电动汽车中的作用，并阐明了需求侧管理、电能高效使用、燃料电池和热电联产系统都是未来供需
平衡的关键技术。
本书已经写了四十多年，从丹尼斯海耶斯和１９７０年首次确立的地球日 对我的影响开始，我的职业生涯从半导体和计算机技术转变为了环境工程。后来，阿莫里洛文斯的开创性论文《软能源之路：未走的道路？》（ＦｏｒｅｉｇｎＡｆｆａｉｒｓ， １９７６）使我对学术的关注集中到了能源与环境之间的关系，以及可再生能源和效率在迎接未来挑战中必须发挥的重要作用。加州大学伯克利分校的阿特罗森菲尔德的深入分析，以及自然资源保护委员会的拉尔夫卡瓦纳赫敏锐的观点，一直是指导我和我灵感的源泉。这些人和其他的先驱们照亮了这条道路，但这些年来，一直是斯坦福大学课堂上那些勇于挑战、执着、充满热情的学生们让我精力充沛、兴奋并充满力量，我对他们的激励和友谊深表感激。最后，我要特别感谢我的老朋友和同事简伍德沃德，她的慷慨支持使我能够继续在这个喜欢的领域中耕耘。
我还要特别感谢一些人，他们对本书第２版的部分章节提供了帮助。卡迪夫大学的尼克詹金斯教授在斯坦福大学教授的课程使我提升了对电力系统相关知识的理解。博士生（现已毕业）埃里克斯托滕堡、伊莱恩哈特和迈克德沃夏克为我提供了关于风力、潮汐和波浪动力的有益见解。来自国际太阳系公司的埃里克 扬伦提供的设计指南，帮助我了解了离网光伏系统的实际情况。罗伯特康罗伊和
亚当拉乌多尼斯两名学生，开发了我用来制作阴影图的网站。我的老朋友，如今在ＳｕｎＰｏｗｅｒ公司工作的鲍勃雷丁格，一直是我在可再生能源金融和商业方面的专家。弗雷德泽西斯仔细核对了手稿，把我从许多尴尬的小错误中拯救了出来， 非常感谢他。最后，让我举起酒杯，就像四年来几乎每天晚上做的那样，敬我的妻子玛丽，她是我生命中的阳光。
吉尔伯特Ｍ马斯特斯
斯坦福大学
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