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第1章 电路和磁路基础1

1.1 电路简介1

1.2 重要电气量的定义2

1.2.1 电荷2

1.2.2 电流2

1.2.3 基尔霍夫电流定律3

1.2.4 电压4

1.2.5 基尔霍夫电压定律5

1.2.6 功率5

1.2.7 功（能量）6

1.2.8 小结6

1.3 理想电压源和电流源6

1.3.1 理想电压源7

1.3.2 理想电流源7

1.4 电阻7

1.4.1 欧姆定律8

1.4.2 电阻串联9

1.4.3 电阻并联9

1.4.4 分压器11

1.4.5 线路电阻12

1.5 电容16

1.6 电磁学和磁路18

1.6.1 电磁学18

1.6.2 磁路19

1.7 电感21

1.7.1 电感的物理特性21

1.7.2 电感的电气特性23

1.8 变压器26

1.8.1 理想变压器26

1.8.2 励磁损耗28

习题32

第2章 电力系统基础36

2.1 电压、电流的有效值36

2.2 理想正弦元件39

2.2.1 理想电阻39

2.2.2 理想电容40

2.2.3 理想电感42

2.3 功率因数43

2.4 功率三角形及功率因数校正45

2.5 单相三线居民用电48

2.6 三相电力系统50

2.6.1 对称丫联结电力系统50

2.6.2 △联结三相电力系统55

2.7 电源56

2.7.1 线性电源57

2.7.2 开关电源60

2.8 电能质量63

2.8.1 谐波简介64

2.8.2 总谐波畸变率69

2.8.3 谐波与电压切痕70

2.8.4 谐波与中线过载71

2.8.5 变压器内部谐波73

参考文献74

习题74

第3章 电力工业79

3.1 发电研究的先驱：爱迪生、西屋和英萨尔79

3.2 电力工业现状82

3.2.1 公用发电与非公用发电83

3.2.2 电力工业统计84

3.3 单相同步发电机88

3.3.1 发电机简例88

3.3.2 单相同步发电机89

3.3.3 三相同步发电机91

3.4 热机的卡诺效率92

3.4.1 热机92

3.4.2 熵和卡诺热机93

3.5 蒸汽循环发电厂96

3.5.1 基荷蒸汽发电厂96

3.5.2 燃煤蒸汽发电厂97

3.6 燃气轮机99

3.6.1 简单燃气轮机100

3.6.2 注汽燃气轮机100

3.7 联合循环发电厂101

3.8 燃气轮机与联合循环联产102

3.9 基荷发电厂、中间发电厂和调峰发电厂103

3.9.1 筛选曲线104

3.9.2 负荷-持续时间曲线107

3.10 输电与配电111

3.10.1 国家输电网112

3.10.2 输电线路113

3.11 发电厂侧的规章制度116

3.11.1 1935年公用事业控股公司法案（PUHCA）117

3.11.2 1978年公用事业管制政策法案（PURPA）117

3.11.3 1992年能源政策法案（EPAct）118

3.11.4 联邦能源管制委员会（FERC）888号和2000号法令118

3.11.5 公用发电机组和非公用发电机组119

3.12 电力市场竞争的出现120

3.12.1 电网结构重构的技术推动120

3.12.2 加利福尼亚州电网开始重构122

3.12.3 加利福尼亚州电网放松管制的溃败124

参考文献127

习题127

第4章 分布式发电132

4.1 发电方式的转变132

4.2 使用化石燃料的分布式发电技术133

4.2.1 高热值与低热值133

4.2.2 微型燃气轮机135

4.2.3 活塞式内燃机138

4.2.4 斯特林内燃机141

4.3 聚焦式太阳能发电（CSP）技术143

4.3.1 抛物柱面聚光器143

4.3.2 槽式太阳能采集系统146

4.3.3 塔式太阳能发电系统148

4.3.4 聚焦式太阳能发电技术的一些比较150

4.4 生物质能发电151

4.5 微型水电系统153

4.5.1 微型水电站的电能输出154

4.5.2 管道损耗156

4.5.3 流量测量159

4.5.4 水轮机160

4.5.5 微型水轮机的电气特性162

4.6 燃料电池163

4.6.1 发展历史164

4.6.2 燃料电池的基本原理165

4.6.3 燃料电池热力学：焓166

4.6.4 燃料电池的熵和理论效率169

4.6.5 吉布斯自由能和燃料电池的效率172

4.6.6 电池的理想电气特性172

4.6.7 实际燃料电池的电气特性173

4.6.8 燃料电池的种类175

4.6.9 氢气生产178

参考文献181

习题182

第5章 分布式资源经济性分析184

5.1 分布式资源184

5.2 电费标准186

5.2.1 标准民用电费186

5.2.2 民用分时电价（TOU）187

5.2.3 基本容量电费188

5.2.4 带棘轮调整的基本容量电费189

5.2.5 负荷系数190

5.2.6 实时电价（RTP）191

5.3 能源经济性192

5.3.1 静态投资回收期192

5.3.2 静态投资回报率192

5.3.3 净现值193

5.3.4 内部收益率（IRR）195

5.3.5 燃料涨价下的净现值和内部收益率197

5.3.6 年均投资额198

5.3.7 发电侧平均发电成本200

5.3.8 现金流分析203

5.4 节能特性曲线205

5.5 热电联产（CHP）209

5.5.1 热电联产（联合发电）的能量效率209

5.5.2 实用热能对热电联产经济性的影响212

5.5.3 热电联产系统的设计原则216

5.6 制冷、加热及联合发电217

5.6.1 压缩制冷218

5.6.2 热泵220

5.6.3 吸收式制冷223

5.6.4 干燥除湿224

5.7 分布式效益225

5.7.1 选择权价值226

5.7.2 分布式递延价值230

5.7.3 电气工程成本效益232

5.7.4 供电可靠性高233

5.7.5 环保价值233

5.8 综合资源规划（IRP）与需求侧管理（DSM）235

5.8.1 传统电价制定模式导致的不利因素235

5.8.2 实施需求侧管理所需要的条件237

5.8.3 需求侧管理的成本效益计算238

5.8.4 需求侧管理的成果241

参考文献242

习题243

第6章 风力发电系统248

6.1 风力发电的发展史248

6.2 风力机的类型249

6.3 风力机功率251

6.3.1 温度对空气密度的影响253

6.3.2 海拔对空气密度的影响255

6.4 塔架高度的影响257

6.5 最大风能效率260

6.6 风力发电机265

6.6.1 同步发电机265

6.6.2 异步（感应）发电机265

6.7 风力机最大功率转速控制270

6.7.1 可变转速的重要性270

6.7.2 变极调速感应发电机271

6.7.3 多齿轮箱271

6.7.4 变转差率调速感应发电机271

6.7.5 非直接并网系统272

6.8 平均风功率272

6.8.1 离散风速直方图273

6.8.2 风能概率密度函数276

6.8.3 威布尔和瑞利统计277

6.8.4 利用瑞利分布计算平均风功率279

6.8.5 风力分级和美国可利用的风力资源280

6.9 风力发电机组发电量的简单估算282

6.9.1 利用平均风力机效率计算年发电量283

6.9.2 风电场283

6.10 典型风力机的性能分析286

6.10.1 空气动力学知识点286

6.10.2 理想风力机输出功率曲线287

6.10.3 风轮直径和发电机额定功率的优化289

6.10.4 风速累积分布函数289

6.10.5 实际功率曲线的威布尔统计292

6.10.6 利用容量系数估算发电量297

6.11 风力发电的经济效益301

6.11.1 资本成本和年度成本302

6.11.2 风力发电的年均电价304

6.12 风力发电对环境的影响307

参考文献308

习题309

第7章 太阳能313

7.1 太阳光谱313

7.2 地球轨道317

7.3 正午太阳高度角318

7.4 一天中任意时刻的太阳位置321

7.5 用于遮蔽分析的太阳轨迹图324

7.6 太阳时与民用时（时钟）327

7.7 日升日落330

7.8 晴朗天空下的太阳直射334

7.9 晴朗天气下采集板上的日照强度337

7.9.1 直射辐射337

7.9.2 散射辐射338

7.9.3 反射辐射340

7.9.4 太阳跟踪系统341

7.10 月均晴天日照强度346

7.11 太阳辐射测量349

7.12 月均日照强度352

参考文献359

习题360

第8章 光伏材料及电气特性364

8.1 简介364

8.2 半导体基础原理366

8.2.1 带隙能367

8.2.2 太阳光谱370

8.2.3 带隙对光伏效率的影响371

8.2.4 PN结372

8.2.5 PN结二极管375

8.3 一般光伏电池376

8.3.1 光伏电池的最简单等效电路377

8.3.2 光伏电池的较精确等效电路379

8.4 从电池单元到模块至阵列383

8.4.1 从电池单元到电池模块383

8.4.2 从光伏电池模块到阵列385

8.5 标准测试条件下光伏电池的电流-电压曲线386

8.6 温度和日照强度对电流-电压曲线的影响389

8.7 遮蔽对电流-电压曲线的影响391

8.7.1 光伏电池被遮蔽的物理原理391

8.7.2 旁路二极管消除遮蔽的影响394

8.7.3 阻流二极管396

8.8 晶体硅技术397

8.8.1 卓克拉尔斯基（CZ）单晶硅398

8.8.2 带状硅技术401

8.8.3 熔融聚晶硅402

8.8.4 晶体硅模块403

8.9 薄膜光伏材料403

8.9.1 非晶硅404

8.9.2 砷化镓和磷化铟408

8.9.3 碲化镉408

8.9.4 硒化铜铟409

参考文献411

习题411

第9章 光伏发电系统414

9.1 主要光伏发电系统类型简介414

9.2 负荷的电流-电压曲线416

9.2.1 简单阻性负荷的电流-电压曲线417

9.2.2 直流电动机的电流-电压曲线418

9.2.3 电池的电流-电压曲线420

9.2.4 最大功率点跟踪器423

9.2.5 小时电流-电压曲线426

9.3 并网光伏发电系统429

9.3.1 与公网接口430

9.3.2 交直流额定功率431

9.3.3 光伏发电系统运行的“峰值小时”预测方法434

9.3.4 并网光伏发电系统的发电利用率439

9.3.5 并网光伏发电系统的容量设计440

9.4 并网光伏发电系统的经济性分析447

9.4.1 权衡选择合适的系统447

9.4.2 每瓦发电成本的不明确性448

9.4.3 偿还费用450

9.5 独立光伏发电系统454

9.5.1 负荷预测454

9.5.2 逆变器和系统电压458

9.5.3 电池461

9.5.4 铅酸电池的基本原理462

9.5.5 电池容量464

9.5.6 用库仑效率代替能量效率467

9.5.7 电池容量设计470

9.5.8 阻流二极管473

9.5.9 光伏电池阵列设计475

9.5.10 混合光伏发电系统478

9.5.11 独立光伏发电系统设计小结480

9.6 光伏抽水系统483

9.6.1 液压系统的特性曲线484

9.6.2 液压泵的特性曲线486

9.6.3 液压系统特性曲线和液压泵特性曲线的组合489

9.6.4 光伏抽水系统的简单直接设计方法489

参考文献492

习题492

附录500

附录A 常用单位换算500

附录B 太阳运行轨迹图504

附录C 晴朗天气下的小时日照强度表507

附录D 晴朗天气下的月日照强度表516

附录E 城市日照强度表519

附录F 日照强度分布图533