国际电气工程先进技术译丛 高效可再生分布式发电系统.pdf

国际电气工程先进技术译丛高效可再生分布式发电系统（美）G i l b e r tM.M a s t e r s 著王宾 董新洲 等译机 械 工 业 出 版 社本书是为高效可再生分布式发电系统课程而准备的教材。内容主要包含电力系统和高效可再生分布式新能源两大块。前三章主要阐述了有关电力系统的基本知识；为了便于非电力专业学生的自学，该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、电能质量等基本专业知识点，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概念和发展历史。第二部分内容主要涉及可再生高效分布式发电技术，包含第49章。从大型中央发电站到小型分布式发电系统的转变主要在第4章中分析，重点是热电联产系统，也简单介绍了大量的小型高效发电技术，像微型燃气轮机、光伏发电、微型水力发电、生物质发电、燃料电池等。第5章重点介绍了实现最高效利用分布式能源的技术经济性分析，介绍了需求侧的能量供给曲线以及供电侧的发电经济性分析。第6章主要介绍了风能和风力发电的相关技术。第7章主要涉及地球上可利用太阳能的评估技术。第8章和第9章主要介绍了将太阳能转换为电能的光伏发电技术。附录给出了大量的英制/国际单位转换、日照强度分布等实际数据，便于读者有针对性地分析其所在地的分布式发电系统特性。C o p y r i g h t2 0 0 4b yJ o h nW i l e y&S o n s，I n c.，H o b o k e n，N e wJ e r s e y.A l lR i g h t sR e s e r v e d.T h i s t r a n s l a t i o np u b l i s h e du n d e r l i c e n s e.本书中文简体字版由W i l e y授权机械工业出版社独家出版。未经出版者书面允许，本书的任何部分不得以任何方式复制或抄袭。版权所有，翻印必究。本书版权登记号：图字0 1-2 0 0 8-2 9 5 9号图书在版编目（C I P）数据高效可再生分布式发电系统/（美）马斯特斯（M a s t e r s，G.M.）著；王宾等译.北京：机械工业出版社，2 0 0 9.1 0（国际电气工程先进技术译丛）R e n e w a b l ea n dE f f i c i e n tE l e c t r i cP o w e rS y s t e m s I S B N9 7 8-7-1 1 1-2 8 5 6 2-5 .高 .马王 .发电 .TM 6 1中国版本图书馆C I P数据核字（2 0 0 9）第1 9 0 3 7 2号 机械工业出版社（北京市百万庄大街2 2号 邮政编码1 0 0 0 3 7）策划编辑：付承桂 责任编辑：付承桂 版式设计：霍永明封面设计：马精明 责任校对：申春香 责任印制北京瑞德印刷有限公司印刷（三河市胜利服装装订厂装订）2 0 1 0年1月第1版第1次印刷 1 6 9 mm2 3 9 mm3 4.5印张6 7 4千字 标准书号：I S B N9 7 8-7-1 1 1-2 8 5 6 2-5定价：149.00 元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务社服务中心：（0 1 0）8 8 3 6 1 0 6 6销 售 一 部：（0 1 0）6 8 3 2 6 2 9 4销 售 二 部：（0 1 0）8 8 3 7 9 6 4 9读者服务部：（0 1 0）6 8 9 9 3 8 2 1网络服务门户网：h t t p：ww w.c m p b o o k.c o m教材网：h t t p：ww w.c m p e d u.c o m封面无防伪标均为盗版：洪汉军0001-3000册译 者 的 话可再生分布式发电是一个古老而又崭新的领域。说其“古老”，是因为人类一直在追求对可再生分布式能源的利用，比如从早期的太阳能加热逐步演化到了光伏发电，从风车磨面、抽水直至现代的风力发电等等；说其“崭新”，是因为现代科学技术的发展为可再生分布式发电技术赋予了新的含义和使命，特别是跟现在电力系统的有效结合，实现规模化的高效可再生分布式电力系统，面临很多新的技术和经济问题。如何能尽快地理解高效可再生分布式电力系统的含义；如何快速地从电力系统的门外汉转变为熟知可再生分布式电力系统的专业技术人才；如何理解、掌握可再生分布式发电涉及的热力学理论、微型水力发电技术、生物质发电技术、燃料电池的基本原理、光伏发电以及风力发电的相关技术等？我相信通过认真地学习本书，读者会收获到意想不到的惊喜。这本书是一本教材，尤其是国外教材特别注意由浅入深地引导学生，因此对于非电力专业的学生而言，该书不仅是关于分布式新能源发电的教材，也是一本不错的电力系统入门书籍。书中第3章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，对于电力专业的工程师和学生而言也非常有价值，回顾研读历史才能真正地理解目前现代电力系统的价值和面临的挑战。因此作为教材，本书的第一个特点是由浅入深。本书的第二个特点体现在对可再生高效分布式发电技术介绍的全面性。书中涉及了热电联产、活塞式内燃机、微型燃气轮机、斯特林内燃机、抛物柱面和槽式光伏发电系统、微型水力发电、生物质发电系统、燃料电池以及多种风力发电等几乎目前国际上在研的各种分布式发电技术。通过对本书的学习，读者能较快地全面掌握当今分布式发电的主流技术。本书是面对工程学科学生的教材，因此本书的第三个特点是立足于量化分析和实用性。书中不仅介绍了相关能源技术的工作原理，而且也提供了充足的技术背景来初步评估所设计系统的实际运行特性。对于提高工程类学生的动手实验能力和面向实际应用的学习理念，很有帮助。清华大学电机系王宾博士负责翻译了本书的第15章，海军航空工程学院的王晶讲师、王昉讲师、博士研究生宋超等翻译了本书的第69章的初稿，王宾博士完成了该部分内容的修定，最后由王宾、董新洲负责全文统稿。在翻译过程中，北京紫光测控有限公司的宋洁工程师也参与了部分的翻译和校对工作。高效可再生分布式发电系统此外还要感谢清华大学电机系的黄天啸、王珺、陈云铮、赵冬博等同学，以及山东电力研究院新能源实验室的赵义术博士、战杰工程师等参与的部分翻译和校对工作，以及给予的支持。特别感谢教育部高等学校博士学科点新教师专项科研基金（2 0 0 8 0 0 0 3 1 0 3 4）、北京市自然科学基金（3 1 0 2 0 1 7）、电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室基金（S K L D 0 9 M 3 2）的资助。由于译者水平所限，对部分技术理解也不全面，翻译过程中难免出现差错，敬请读者指正。译者 于清华园2 0 0 9年1 2月前 言可持续发展工程是2 1世纪的新兴研究方向，发展环境友好的电力系统是其重要的一部分。可再生能源系统由于原材料不会耗尽，也不会像现代电力工业那样受燃料价格和供给性的严重影响。在美国和欧洲，风力发电是成长性最快的发电模式，光伏发电技术已经开始市场化应用，无污染的燃料电池发电也启动在即。最新的化石燃料发电技术效率已经达到了传统锅炉燃烧煤发电技术的两倍，而且污染排放也非常低。有充分的理由相信：大型集中式发电站采用成百上千英里的输电线路与用户相连而构成的传统供电系统，必将会逐渐补充直至最后完全被洁净的、小型就地发电厂而替代。分布式发电系统不仅降低了输电线路的损耗和建设成本，而且可以就地利用发电过程中的废热，从而增加整个系统的效率和供电经济性。还有，分布式发电提高了供电的可靠性，降低了如同2 0 0 3年夏季北美大停电等类似的大面积严重供电故障的危险性。这对于全球的发电工业而言是令人振奋的时刻。供电和用户两侧的新技术也使得供、用电两侧都发生了结构性的变化。发展中国家中尚有2 0亿人口无电可用，蕴含着极大的用电需求；而且已经得到了越来越多关注的发电导致的环境问题都迫切地需要相关的新教材、新课程以及在新近变化的能源工业中职位需求较多、令人满意的新一代工程师。本书最初是为可再生高效电力系统新课程而准备的教材。为了便于自学，书中针对每一个主题都给出了大量的完整实用举例，并进行了相应的量化分析。每一章的末尾都带有习题，为学生提供了练习的机会，也便于指导教师布置家庭作业。尽管本书主要是面向高年级学生而写的，但在实际教学中可根据需要方便地调整内容以适应不同的授课对象。由于其他涉及本书内容的课程主要是介绍课程本身的内容，因此本书写作中尽量地保证知识体系的完备性，即书中包含了相关的发展历史、政策法规、电力工业文档以及电力、热动力、工程经济学等大量的背景知识，以便于理解这些新的发电技术。工程类学生一般都愿意使用学到的技能，动手设计东西。因此，本书不仅介绍相关能源技术的工作原理，而且也提供了充足的技术背景来初步评估所设计系统的实际运行特性。比如，给定风速特性，如何来估算风力机的发电特性？高效可再生分布式发电系统如何来预测太阳的日照强度，以及基于此再进一步估算用于抽水、家居或独立通信基站供电的光伏发电系统的容量？如何设计燃料电池的容量来保证家用热力和电力的供给，以及氢气的供给速度应保证为多少？如何评估系统的投资以实现经济的合理性？也就是说，本书立足于量化分析和实用性，重点探讨分布式能源评估、系统设计以及经济性评价等内容。由于许多学生可能没有电力工程背景，因此第1章介绍了电力的基本概念和电路的基本原理。而且由于大部分学生，包括许多有一定电力基础知识的学生，可能没有接触过实际的电力系统，因此第2章中介绍了例如功率因数、输电线路、三相电力系统、供电、电能质量等基本专业知识点。第3章综述了现代电力工业的发展史，包括了电力工业法规草案的历史变迁，以及发电技术的发展史；也介绍了大量的热动力学知识，以便于理解基本的热机原理以及在现代蒸汽轮机、燃气轮机、混合循环和热电联产等发电厂中的应用。同时本章也简单介绍了如何选择不同类型的发电模式组合使得发电成本最经济。从大型中央发电站到小型分布式发电系统的转变主要在第4章中分析。这一章的重点是热电联产系统，也介绍了大量的小型高效发电技术，像活塞式内燃机、微型燃气轮机、斯特林内燃机、抛物柱面和槽式光伏发电系统、微型水利发电、生物质发电系统等。此外还特别介绍了燃料电池的基本原理，以及该技术在未来必将成为主流发电技术的潜能分析。供电和用电两侧的分布式资源的概念在第5章中介绍。重点是实现最高效利用这些分布式能源的技术经济性分析。本章也介绍了需求侧的能量供给曲线以及供电侧的发电经济性分析。特别是评估了利用废热的经济性和环境收益的有效评估，以及将废热转换成有效能源的相关技术，比如空调。第6章全部介绍了风能。风力发电是当代最具成本效益性的可再生能源发电技术，也是目前与传统发电技术相比最具竞争力的新能源技术。该章介绍了评估可利用风能，以及现代风力机捕获风能并转化为电能的效率等相关技术。将风能统计曲线与风力机的运行特性结合起来，可估算风力发电系统的发电量以及效益性，风力机的容量可以是从单机家用小型风力机，到目前正在美国、欧洲和亚洲快速发展的大型风电场。第7章不仅介绍了太阳作为可再生能源的重要性，也提出了大量的公式来估算晴天下地球上任何地点、时间的可利用太阳能。本章也给出了美国不同地点的实测太阳能资源，以及基于该数据实现太阳能系统设计的相关技术。第8章和第9章主要介绍了将太阳能转换为电能的光伏发电技术。第8章描述了光伏转换的基本原理，建立了太阳电池的基本模型以便于理解其电气特性。第9章主要介绍了用于光伏发电系统设计的不同方法，重点在于并网光伏发电前 言 系统、屋顶系统、独立运行系统以及光伏抽水系统等方面。我认为有理由说这本书在3 5年前就在准备之中，始于D e n i sH a y e s和E a r t hD a y在1 9 7 0年引导我的研究方向从半导体和计算机技术转到了环境工程。紧接着Am o r yL o v i n s的富有奠基意义的论文“T h eS o f tE n e r g yP a t h：T h eR o a