編輯推薦
適讀人群 :本書對太陽能光伏發電係統工程技術進行瞭全麵闡述,對供該領域的廣大設計、設計及施工建設人員,以及從事科研、管理及大專院校相關專業的師生有重要參考價值。 本書作為太陽能光伏發電領域重要和經典、高水平的科技圖書,曾榮獲“2011年度國傢科學技術學術著作齣版基金資助項目”。本書是一部全麵係統、深入介紹光伏發電技術及其應用新成果的技術專著和工具書。
內容簡介
本書作為太陽能光伏産業重要和經典、高水平的科技圖書,曾榮獲“2011年度國傢科學技術學術著作齣版基金資助項目”。本書是一部全麵係統、深入介紹光伏發電技術及其應用新成果的技術專著。
全書共分為上、下兩篇,上篇為基礎篇,下篇為應用篇。上篇係統闡明太陽輻射能的特點、測量和計算;光伏發電係統工作原理、構成及其分類;光伏發電係統的設計原理和方法,以及地麵大型集中式並網光伏電站、屋頂並網光伏發電係統與獨立光伏發電係統的設計應用;光伏發電係統構成的主要和關鍵部件,即太陽電池、逆變器、控製器、儲能裝置、直流匯流和交流配電係統以及監控測試係統、輔助電源、整流充電設備、升壓變壓器等輔助設備的知識。下篇則詳細介紹太陽能光伏發電係統工程具體應用內容,重點介紹典型案例與分析,以饗讀者。
本書是廣大太陽能光伏發電設計與科研人員、生産人員、管理人員及施工建設人員的讀物,也可作為高等院校相關專業師生的教學參考書。
本次全麵改版,對太陽能光伏發電新技術進行瞭更加全麵、係統的介紹,實例更豐富,技術內容更先進、更實用,可操作性更強!
作者簡介
李安定研究員,曾任中科院電工所副所長,黨委書記。李安定所長是我國太陽能光伏發電技術領域的奠基人之一和人士,對於我國太陽能行業的技術發展曾起到瞭關鍵作用。
目前李所長擔任的主要職務有:有中國可再生能源研究會秘書長,副會長;中國可再生能源學會光伏發電專委會主任。他還是北京市地方標準,北京市質量技術監督局“太陽能光伏發電室外照明裝置技術要求”的主要起草人。李所長曾於1978年至1979年參與創建瞭國內太陽能發電研究部門——中國科學院電工所太陽能發電研究室,並於1984年至1985年到法國作為訪問學者從事太陽能發電技術研究,迴國後於1986年開闢瞭國內太陽能光伏發電新方嚮。他曆任太陽能發電研究組組長,科研處長,所長,黨委書記等職。
內頁插圖
目錄
上篇基 礎 篇
第1章太陽輻射能2
1.1太陽輻射能的源泉2
1.2地球上的太陽能3
1.2.1地球大氣層上界的太陽能3
1.2.2地球錶麵上的太陽能5
1.3斜麵上的太陽輻射能8
1.3.1斜麵上的太陽總輻照度8
1.3.2水平麵上太陽輻射轉化成斜麵上太陽輻射10
1.4太陽輻射的測量和資源計算11
1.4.1太陽輻射測量和標準11
1.4.2太陽能資源計算與分區16
參考文獻19
第2章太陽能光伏發電係統集成技術及應用20
2.1太陽能光伏發電係統工程20
2.1.1光伏係統工程研究的宗旨及內容20
2.1.2係統分類及配置21
2.2光伏發電係統評價指標26
2.2.1峰值日照時數與發電量計算26
2.2.2光伏發電係統性能比28
2.3光伏係統的能量迴收期及CO2減排潛力28
2.3.1能量迴收期(EPT)28
2.3.2光伏係統CO2減排量31
2.4光伏能源發展綫路圖34
2.4.1光伏發電係統的應用分類34
2.4.2光伏應用發展綫路圖35
參考文獻38
第3章太陽能光伏發電係統的設計原理和方法39
3.1參數分析法40
3.1.1基本公式40
3.1.2設計參數的定義43
3.2LOLP法45
3.2.1LOLP法的思路和特點45
3.2.2LOLP法的基本公式45
3.2.3LOLP法參數的確定方法45
3.2.4LOLP法的計算流程46
3.3模擬法46
3.3.1模擬法的思路46
3.3.2光伏係統構成部件的模擬基本公式48
參考文獻52
第4章太陽能光伏發電係統的設計53
4.1大型集中式並網光伏電站的設計53
4.1.1項目前期工作54
4.1.2大型集中式並網光伏電站的配置55
4.1.3電站直流發電係統設計56
4.1.4並網逆變器的選配68
4.1.5光伏電站交流電氣係統設計72
4.1.6電氣二次部分75
4.1.7光伏電站的監控係統設計方案76
4.1.8光伏電站的防雷接地81
4.2屋頂並網光伏發電係統的設計84
4.2.1屋頂光伏係統分類84
4.2.2BIPV係統設計的規定與要求85
4.2.3BIPV設計要點87
4.2.4BIPV對太陽電池組件提齣的一些特殊要求89
4.2.5BIPV的電氣連接方式90
4.2.6安全防火——直流故障及保護措施92
4.2.7光伏組件在建築上的應用93
4.3獨立光伏發電係統的設計97
4.3.1獨立光伏發電係統的容量設計98
4.3.2逆變器、控製器的選配102
4.3.3獨立光伏發電係統設計的驗證107
4.4光伏係統設計軟件112
參考文獻117
第5章太陽電池、組件及方陣118
5.1太陽電池118
5.1.1太陽電池及其分類118
5.1.2太陽電池的工作原理及基本特性119
5.1.3晶體矽太陽電池的製造143
5.1.4薄膜太陽電池151
5.1.5聚光太陽電池164
5.2太陽電池組件及方陣166
5.2.1太陽電池組件166
5.2.2太陽電池方陣170
參考文獻174
第6章儲能技術及裝置175
6.1緒論175
6.1.1儲能的必要性及意義175
6.1.2儲能的定義及分類176
6.2電化學儲能177
6.2.1鉛酸儲能蓄電池177
6.2.2其他電化學電池186
6.3物理儲能204
6.3.1飛輪儲能204
6.3.2壓縮空氣儲能213
6.3.3抽水蓄能216
6.4其他儲能218
6.4.1超導儲能218
6.4.2金屬�部掌�電池220
6.4.3燃料電池224
6.5儲能技術及裝置的類比應用225
參考文獻230
第7章光伏發電係統的控製與監控232
7.1光伏係統控製的特點和主要功能232
7.1.1特點232
7.1.2主要功能233
7.2充電、放電控製237
7.2.1蓄電池充放電控製方法237
7.2.2充放電控製器類彆及其工作原理238
7.3光伏電站用直流控製櫃242
7.3.1獨立光伏電站用直流控製櫃242
7.3.2並網光伏電站用直流配電櫃247
7.4最大功率跟蹤控製器248
7.4.1恒壓控製249
7.4.2最大功率跟蹤控製250
7.5光伏發電監控係統254
7.5.1監控係統功能254
7.5.2監控係統構成256
7.5.3監控係統設計原則258
參考文獻259
第8章DC-AC逆變器260
8.1逆變器分類及主要功能260
8.1.1逆變器分類260
8.1.2逆變器的主要功能260
8.2逆變器的技術要求及性能指標263
8.2.1逆變器技術要求263
8.2.2逆變器性能指標263
8.3離網逆變器的結構及工作原理265
8.3.1離網逆變器的結構及選用265
8.3.2正弦波逆變器的工作原理266
8.4並網逆變器的結構及工作原理273
8.4.1兩級式逆變器273
8.4.2單級並網型逆變器276
8.4.3並網逆變器的孤島檢測技術277
8.4.4並網逆變器的低電壓穿越281
8.5逆變器的發展沿革、現況和趨勢283
8.5.1逆變器的發展沿革283
8.5.2逆變器的現況及趨勢284
參考文獻291
第9章交流配電係統292
9.1光伏電站交流配電係統的構成292
9.2光伏電站交流配電係統的主要功能和原理292
9.3對交流配電係統的主要要求293
9.3.1通用要求293
9.3.2技術要求294
9.3.3結構要求295
9.3.4交流配電櫃的保護功能295
9.4JKJP-60k-3CH交流配電櫃的操作使用295
9.4.1主要參數和技術指標296
9.4.2機櫃麵闆和內部布局296
9.4.3工作原理和防雷保護298
9.4.4機櫃安裝298
9.4.5操作使用299
9.4.6與微機監控係統的連接調試300
9.4.7故障判斷301
9.4.8注意事項301
9.5低壓架空配電綫路302
9.5.1結構與組成302
9.5.2運行管理304
9.6電力變壓器及其選擇306
9.6.1常用電力變壓器的種類和容量係列306
9.6.2變壓器容量與數量的選擇原則306
9.7電力綫纜及其選擇308
9.7.1按機械強度條件選擇導綫截麵積308
9.7.2按導綫載流量條件選擇導綫截麵積308
9.7.3按電壓損失選擇導綫截麵積309
9.7.4按短路條件選擇導綫截麵積312
9.7.5按經濟電流密度選擇截麵積314
9.7.6綫路選擇條件分析314
9.7.7保護綫的選擇315
參考文獻315
第10章分布式光伏發電與智能微電網316
10.1分布式能源316
10.1.1引論316
10.1.2分布式發電317
10.1.3未來能源係統318
10.2分布式光伏發電318
10.2.1分布式光伏發電分類及其應用319
10.2.2分布式光伏發電的技術提要324
10.3分布式光伏發電與微電網332
10.3.1智能電網與智能微電網332
10.3.2智能微電網的研究發展334
參考文獻339
下篇應 用 篇
第11章大型集中式地麵並網光伏電站341
11.1甘肅省張掖南灘20MWp並網光伏電站341
11.1.1項目概況341
11.1.2張掖南灘光伏電站的技術覽要344
11.1.3張掖南灘20MWp光伏電站運行分析349
11.2蚌埠曹山2MWp非晶矽薄膜並網光伏示範電站354
11.2.1項目概況354
11.2.2項目總圖354
11.2.3關鍵設備和技術355
11.2.4安裝過程中的技術問題359
11.2.5電站性能參數測試及分析360
參考文獻366
第12章分布式屋頂並網光伏發電係統367
12.1江蘇省常州科教城1.0994MWp並網光伏發電係統367
12.1.1項目概況367
12.1.2總體方案設計及所依據標準368
12.1.3光伏陣列布局及支架設計371
12.1.4項目技術亮點380
12.2深圳國際園林花卉博覽園lMWp並網光伏發電係統386
12.2.1工程簡述386
12.2.2係統設計與安裝386
12.2.3工程關鍵器件與設備的選型387
12.2.4工程設計建設中的幾個技術亮點387
12.2.5工程的節能減排效益388
參考文獻389
第13章太陽能光伏照明390
13.1太陽能照明裝置概要390
13.1.1工作原理及係統構成390
13.1.2分類及應用393
13.2太陽能照明裝置的設計及安裝397
13.2.1設計依據397
13.2.2現場考察398
13.2.3係統設計計算398
13.2.4閤理選用控製器400
13.3太陽能LED道路照明400
13.3.1LED光源的優勢400
13.3.2太陽能LED路燈401
參考文獻402
前言/序言
現代能源工程與可持續發展:全球視角下的能源轉型實踐 導言: 在二十一世紀的宏大敘事中,能源結構轉型已成為關乎全球經濟命脈、生態平衡乃至國傢安全的核心議題。我們正處在一個能源範式加速切換的曆史性節點,從依賴傳統化石燃料嚮構建清潔、低碳、多元化的現代能源體係邁進。本書《現代能源工程與可持續發展:全球視角下的能源轉型實踐》旨在提供一個廣闊而深入的理論框架和前沿工程實踐指南,聚焦於非光伏類的可再生能源技術集成、先進能源係統的設計與優化、電網的現代化改造以及支撐可持續發展的政策與經濟模型。 本書的撰寫,充分考慮瞭當前能源領域研究的前沿動態和工程應用中的痛點,力求在理論深度與工程實用性之間達到精妙的平衡。我們特彆強調跨學科的知識融閤,將熱力學、材料科學、控製理論、環境科學與經濟學原理有機結閤,構建起一套完整的現代能源工程知識體係。 --- 第一部分:非光伏可再生能源技術深度解析 本部分係統性地探討瞭太陽能光伏發電之外,其他關鍵可再生能源技術的原理、最新進展及其工程化應用。 第一章:風能工程的脈動與未來 風能作為全球增長最快的主流可再生能源之一,其技術復雜度與潛力日益凸顯。本章將超越基礎風電機理,深入剖析: 大型風電機組氣動外形設計優化: 關注先進翼型設計(如仿生翼型)在不同風況下的性能提升,以及葉片載荷的精細化分析。 海上風電基礎結構與運維挑戰: 詳細闡述固定式基礎(如導管架、重力式)和浮式基礎(如半潛式、張力腿式)的結構動力學分析、疲勞壽命評估,以及深遠海域的電纜敷設與防腐蝕技術。 風電場的陣列效應與湍流建模: 探討風輪間的相互乾擾、尾流效應的精確數值模擬(CFD應用),以及如何通過智能排布最大化風電場整體效率。 超大功率風電機組的電控係統: 聚焦於高壓直驅與雙饋異步發電機的拓撲結構、寬域調速控製策略(如基於模型的預測控製 MPC),以及故障穿越能力(LVRT)的實現。 第二章:水能係統的升級與生態友好性 水能仍然是可靠的基荷電力來源,但現代水能工程的重點已轉嚮提高效率、降低環境影響和適應氣候變化。 先進水輪機水力設計與空化抑製: 深入研究衝擊式、反擊式、軸流式水輪機的流場優化,特彆是高比轉速機組的空泡生成與潰滅機理及抑製技術。 抽水蓄能電站的係統集成與調度: 探討抽水蓄能作為大規模儲能單元的電網服務能力,包括快速響應、調頻調峰的優化調度算法,以及新型地下/獨立式抽水蓄能站的選址與工程設計。 小型/微型水力發電係統的分布式應用: 介紹低水頭、低流量條件下的新穎渦輪設計(如阿基米德螺鏇、貫流式),及其在偏遠地區的離網供電方案。 河流生態流量管理與魚道設計: 探討水工結構對河流生態係統的影響評估方法,以及新型、高效的過魚設施(如仿生導流結構)的設計標準。 第三章:生物質能的能源化與循環經濟 生物質能的價值在於其碳中性潛力及廢物資源化利用。本章側重於高效的轉化技術。 高級生物燃料的製備工藝: 詳述縴維素水解、酯交換反應、超臨界水氣化等技術,重點分析催化劑的選擇與再生,以及燃料性能的提升。 熱化學轉化過程的耦閤優化: 深入研究生物質熱解(Pyrolysis)與氣化(Gasification)過程的反應動力學,如何精確控製産物氣(Syngas)的組分,以滿足後續發電或化學品閤成的要求。 生物質能與碳捕集(BECCS): 探討將生物質能發電與碳捕集技術結閤的生命周期評估(LCA)方法,及其在實現負排放目標中的作用。 --- 第二部分:先進能源係統集成與電網現代化 能源係統的未來在於高度集成化、智能化和雙嚮互動能力。本部分專注於儲能技術、氫能的戰略部署以及智能電網的構建。 第四章:電化學儲能技術與係統優化 儲能是實現高比例可再生能源並網的關鍵。本書對儲能係統的技術選型、安全管理和經濟性進行瞭透徹分析。 先進電池體係的性能邊界: 重點分析鈉離子電池、固態電池、液流電池在長時儲能(LDES)中的應用潛力,對比其能量密度、循環壽命與成本效益。 電池管理係統(BMS)與健康狀態(SOH)評估: 闡述基於擴展卡爾曼濾波(EKF)和神經網絡的荷電狀態(SOC)精確估算方法,以及熱失控預警機製的構建。 儲能係統(BESS)的並網運行與輔助服務: 探討BESS如何參與電網的調頻、備用、電壓支持等服務,以及並網接入點的優化設計。 物理儲能技術前沿: 涵蓋壓縮空氣儲能(CAES)的新型絕熱設計、飛輪儲能的高速軸承技術,以及重力儲能的機械結構創新。 第五章:氫能——下一代綜閤能源載體 氫能被視為實現深度脫碳的“終極”能源載體。本章側重於高效製氫、安全儲存與利用。 高效能製氫技術: 深度解析先進電解水技術(如高溫固體氧化物電解槽 SOEC)的反應機理、材料選擇(電極與電解質),以及如何利用波動性可再生能源進行低成本製氫。 氫氣的儲存與運輸挑戰: 比較液態氫、高壓氣態氫、金屬/化學載體儲氫的優缺點,重點討論固態儲氫材料(如金屬氫化物)的吸放氫動力學與循環穩定性。 燃料電池係統集成: 分析質子交換膜燃料電池(PEMFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)在高效率發電、熱電聯供(CHP)中的應用,包括電堆設計與熱管理。 第六章:智能電網與能源互聯網的控製架構 現代電網必須具備自愈、高效和雙嚮互動的能力,以適應分布式能源(DER)的接入。 配電網的先進控製理論: 介紹基於虛擬同步機(VSM)的逆變器控製技術,以增強弱電網下的暫態穩定性。探討分布式能源友好型潮流計算算法。 需求側響應(DR)與負荷管理: 闡述通過價格信號、激勵機製和實時通信技術,實現對工業、商業和居民負荷的靈活調度,優化係統運行麯綫。 網絡安全與電力係統韌性: 探討針對SCADA係統、通信網絡和關鍵控製設備的網絡攻擊防禦體係,以及在極端事件下的係統快速恢復策略。 --- 第三部分:政策、經濟性與可持續發展評估 能源工程的成功離不開閤理的政策引導和精確的經濟性分析。 第七章:能源項目的全生命周期評估與經濟性分析 本章提供量化的工具,用於評估新型能源項目的環境足跡和財務可行性。 LCA的擴展應用: 建立包括材料開采、製造、運行到退役的完整生命周期評估模型,特彆是針對新型儲能材料的資源消耗與環境影響評估。 平準化度電成本(LCOE)的動態建模: 引入考慮資金時間價值、風險摺現率和技術成熟度(TRL)的LCOE計算模型,並進行敏感性分析。 可再生能源平準化儲能成本(LCOS): 專門針對儲能係統,評估其在不同運行模式(調頻、峰值削減)下的真實成本模型。 第八章:全球能源政策與跨國閤作 理解宏觀政策背景是工程決策的先決條件。 碳定價機製與市場設計: 對比碳稅、碳交易係統(ETS)的設計原理、實施效果,以及它們對能源投資決策的激勵作用。 電力市場改革: 探討容量市場、輔助服務市場與現貨市場的協同設計,以適應高比例波動性電源的接入。 能源係統的韌性與地緣政治: 分析能源供應鏈(如關鍵礦産)的多元化戰略,以及如何通過能源閤作提升區域能源安全。 結語: 《現代能源工程與可持續發展》不僅僅是一本技術手冊,更是一份麵嚮未來的路綫圖。它旨在培養新一代工程師和決策者,使其能夠駕馭復雜的技術挑戰,設計齣既經濟高效又環境友好的綜閤能源解決方案,從而真正推動全球能源係統的可持續轉型。