本書介紹了電路理論的基本概念和原理，討論了電池、逆變器、控制器等廣泛應(yīng)用于可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)備，重點(diǎn)對光伏太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和燃料電池技術(shù)進(jìn)行了講解。
幾年前，有人建議我開設(shè)一門電氣理論的入門課程，受眾對象是那些對光伏技術(shù)感興趣以及準(zhǔn)備從事可再生能源領(lǐng)域工作的人。
我的目標(biāo)是開設(shè)一門短期課程，在使學(xué)生奠定堅(jiān)實(shí)電氣理論基礎(chǔ)的同時(shí)，突出太陽電池技術(shù)，從而使學(xué)習(xí)該課程的學(xué)生能夠參與到綜合性的光伏項(xiàng)目中。
我曾經(jīng)考慮選取一本書來構(gòu)建這門課程，該書可作為課程的教學(xué)用書。然而我找不到一本合適的書能與我的目標(biāo)吻合。有一些書用800多頁來詳細(xì)講授直流和交流電氣理論，有的書聚焦于半導(dǎo)體技術(shù)，有些書旨在使讀者深入學(xué)習(xí)光伏電池或燃料電池技術(shù)卻只對電氣理論進(jìn)行了非常概要的講述（他們假定讀者懂得電氣理論和實(shí)際應(yīng)用方面的知識）。因此，我不得不撰寫了許多“注解”用于這門課程。
本書就是源于這些注解和我在課堂上的講授。然而，盡管我的這些注解和講座主要采用了光伏技術(shù)的電氣實(shí)例，本書仍然可以為光伏、風(fēng)電和燃料電池系統(tǒng)提供堅(jiān)實(shí)的電氣理論基礎(chǔ)。同時(shí)，前7章所講授的內(nèi)容是所有相關(guān)從業(yè)者為理解任何可再生能源發(fā)電系統(tǒng)時(shí)所應(yīng)當(dāng)知悉的。
在許多情況下，可再生能源系統(tǒng)的安裝者、現(xiàn)場技師、系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和產(chǎn)品工程師之間均存在知識的差距。這些人常常無法進(jìn)行技術(shù)交流，只因?yàn)槿狈镜碾姎饫斫饣蚧A(chǔ)技術(shù)語言。
在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)中，技師、設(shè)計(jì)人員、安裝者和工程師必須組成團(tuán)隊(duì)、協(xié)同工作。本書在可再生能源從業(yè)者的實(shí)踐和理論之間搭建了一座橋梁，并介紹了常用的技術(shù)語言和知識基礎(chǔ)。
本書的第一部分涵蓋了直流電（DC）和交流電（AC）的電路及原理。還介紹了測量儀表、歐姆定律、無功功率、功率因數(shù)、單相和三相電、變壓器和蓄電池等內(nèi)容。
本書第二部分涵蓋了光伏和風(fēng)電系統(tǒng)均在使用的控制器和逆變器。講述了相關(guān)光伏器件的工作原理，包括輻照強(qiáng)度、溫度與I-V曲線的關(guān)系等。同時(shí)介紹了電池材料和制造方法，闡述了如何利用最大功率點(diǎn)跟蹤器來提高系統(tǒng)的效率，并討論了其在不同系統(tǒng)的應(yīng)用。
對風(fēng)力機(jī)的學(xué)習(xí)則從風(fēng)功率密度是如何受到風(fēng)速和風(fēng)輪掃掠面積的影響開始的。本書討論了風(fēng)力機(jī)輸出功率的計(jì)算方法，以及影響輸出功率效率的因素。設(shè)計(jì)者可以從相關(guān)圖表中得到所需系統(tǒng)應(yīng)用的數(shù)據(jù)。本書還討論了包括異步感應(yīng)電機(jī)在內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并闡述了其在不同系統(tǒng)中的應(yīng)用。
燃料電池是通過燃料的電化學(xué)反應(yīng)而不是直接燃燒來發(fā)電的。燃料電池的輸出是電能、水和某些應(yīng)用場合產(chǎn)生的少量二氧化碳。燃料電池因可以利用可再生能源而被歸入本書。本書的最后一章介紹了氫-氧燃料電池的工作原理，解釋了在陰極和陽極發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，并闡述了電池電解質(zhì)的關(guān)鍵功能。最后一章還介紹了工作溫度、壓力和各種電解質(zhì)對于燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用的影響。
本書具有的許多特點(diǎn)可以幫助讀者更好地理解這些理論和應(yīng)用，例如：
1）本書沒有用專門的章節(jié)討論電氣測量儀表的設(shè)計(jì)，而是結(jié)合具體應(yīng)用介紹了用儀表進(jìn)行電路測量的方法以及儀表特點(diǎn)對測量結(jié)果的影響。
2）本書并未單獨(dú)介紹變壓器，而是結(jié)合電力傳輸和配電對其進(jìn)行了講解。在討論磁感應(yīng)和互感原理時(shí)，對變壓器的工作過程也有所述及。
3）光伏電池由半導(dǎo)體材料制成，因此在討論光伏電池的設(shè)計(jì)制造時(shí)首先對半導(dǎo)體理論進(jìn)行了介紹。二極管的工作原理也是在講授光伏電池設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了介紹。
4）感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)也是在介紹風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)進(jìn)行了講解，而并未獨(dú)立講授。
5）每章都附有“探索”題目，旨在促使讀者進(jìn)一步學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，但是并未展開介紹。
6）大部分電氣理論書籍采用電池組或常見的交流市電作為電源，但是本書中的許多例子則使用光伏系統(tǒng)和風(fēng)力機(jī)作為發(fā)電源。
“水漲眾船高”愿那些與我們一同開始這段學(xué)習(xí)旅程的人們好運(yùn)！
GaryGoodstal
譯叢序
譯者序
致謝
前言
緒論1
第1章原子3
1.1原子的結(jié)構(gòu)4
1.2電流7
1.3電荷法則8
1.4電氣材料8
1.5光的特性9
第2章電氣測量與歐姆定律11
2.1電流12
2.2安培12
2.3電路15
2.4電壓18
2.5電壓表20
2.6歐姆22
2.7歐姆表23
2.8選擇儀表的量程29
2.9歐姆定律30
2.10故障電路的診斷31
2.11功率34
2.12使用國際單位制詞頭38
第3章電阻器、電容器和電感器42
3.1電阻器42
3.2電容器48
3.3電感器52
3.4元件的測試54
第4章串聯(lián)直流電路57
4.1串聯(lián)電路中的電流57
4.2串聯(lián)電路中的電壓58
4.3串聯(lián)電路中的電阻59
4.4串聯(lián)電路中的功率59
4.5計(jì)算串聯(lián)電路參數(shù)的規(guī)則60
4.6壓降的極性62
4.7測量對地電壓63
4.8電源的串聯(lián)64
第5章并聯(lián)直流電路71
5.1并聯(lián)電路71
5.2計(jì)算并聯(lián)電路參數(shù)的規(guī)則82
5.3恒流源82
5.4分流電路83
5.5串-并聯(lián)電路85
第6章交流電介紹91
6.1交流電相對于直流電的優(yōu)點(diǎn)92
6.2公共電網(wǎng)92
6.3電磁場93
6.4變壓器原理94
6.5直流和交流波形97
6.6三相交流電104
第7章交流R-C和R-L電路108
7.1交流電路中的電容器108
7.2阻抗110
7.3R-C電路111
7.4交流電路中的電感器114
7.5R-L電路114
7.6有功功率、無功功率和視在功率117
7.7R-C電路的功率117
7.8R-L電路的功率121
7.9R-L-C電路123
7.10功率因數(shù)125
7.11功率因數(shù)校正128
第8章電池132
8.1電池的發(fā)展歷程132
8.2一次電池133
8.3二次電池133
8.4內(nèi)阻134
8.5電解質(zhì)135
8.6放電過程135
8.7充電過程136
8.8電池的結(jié)構(gòu)137
8.9硫酸鹽化137
8.10層化138
8.11荷電狀態(tài)138
8.12放電速率138
8.13容量139
8.14自持時(shí)間140
8.15放電深度140
8.16電池的充電方法140
8.17電池的類型141
8.18氫-氧燃料電池142
8.19電池使用的通用安全防護(hù)規(guī)定143
8.20電池的串聯(lián)、并聯(lián)和串-并聯(lián)144
8.21電池組的規(guī)模設(shè)計(jì)145
第9章逆變器、控制器及其應(yīng)用148
9.1光伏電池的特性149
9.2逆變器150
9.3逆變器的輸出波形152
9.4效率156
9.5諧波失真157
9.6生成修正方波158
9.7生成正弦波159
9.8正弦波逆變器160
9.9脈沖寬度調(diào)制161
9.10組串型逆變器和微型逆變器165
9.11電網(wǎng)電力的質(zhì)量166
9.12孤島效應(yīng)166
9.13逆變器的應(yīng)用166
9.14最大功率傳輸169
9.15最大功率點(diǎn)跟蹤171
9.16DC-DC變換器176
9.17浪涌電流180
9.18充電控制器180
9.19利用PWM控制器產(chǎn)生充電電流184
9.20電池的記憶185
9.21控制器的選擇及特性185
9.22電源配電柜186
9.23光伏組件的可靠性187
9.24逆變器和控制器的標(biāo)準(zhǔn)188
9.25成功的籌劃188
第10章光伏電池與應(yīng)用192
10.1光伏電池193
10.2摻雜193
10.3半導(dǎo)體理論193
10.4光伏作用195
10.5太陽輻射波譜195
10.6電池電壓和電流196
10.7I-V曲線198
10.8單體和組件通過連接增加電壓和電流199
10.9I-V曲線上的MPP202
10.10太陽輻射強(qiáng)度（輻照度）的變化對電流和電壓的影響203
10.11電壓、電流與溫度的關(guān)系204
10.12電學(xué)和熱學(xué)特性205
10.13溫度系數(shù)205
10.14計(jì)算溫度變化后的VOC和PMPP206
10.15標(biāo)準(zhǔn)測試條件207
10.16測試光伏陣列與繪制I-V曲線208
10.17轉(zhuǎn)換效率209
10.18串聯(lián)組件的I-V曲線210
10.19并聯(lián)組件的I-V曲線211
10.20作為電流源的光伏器件212
10.21填充因子214
10.22防反二極管215
10.23旁路二極管216
10.24性能216
10.25系統(tǒng)的效率218
10.26電池材料和制造工藝218
10.27組件安裝219
10.28光伏組件的規(guī)模選擇220
10.29場地評估221
10.30組件測試與性能222
10.31面板認(rèn)證223
第11章風(fēng)力機(jī)功率測量與機(jī)械結(jié)構(gòu)225
11.1風(fēng)力渦輪機(jī)的基本設(shè)計(jì)方案227
11.2風(fēng)速227
11.3風(fēng)能密度229
11.4面積對功率的影響230
11.5貝茲法則231
11.6采用風(fēng)速表和分布圖確定風(fēng)能密度232
11.71/7冪定律233
11.8功率曲線235
11.9年發(fā)電量237
11.10效率237
11.11容量系數(shù)238
11.12風(fēng)力機(jī)的機(jī)械構(gòu)造簡介238
11.13超速控制241
11.14齒輪箱241第12章風(fēng)力機(jī)與發(fā)電243
12.1電動(dòng)機(jī)的基本原理244
12.2基本交流電動(dòng)機(jī)244
12.3交流感應(yīng)發(fā)電機(jī)246
12.4三相交流電246
12.5三相發(fā)電機(jī)247
12.6三相旋轉(zhuǎn)磁場248
12.7異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)250
12.8轉(zhuǎn)差251
12.9轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線252
12.10籠型感應(yīng)轉(zhuǎn)子253
12.11有功功率與無功功率255
12.12繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)255
12.13三相繞線轉(zhuǎn)子異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)256
12.14雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)256
12.15帶有葉片轉(zhuǎn)速和槳距控制的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)258
12.16三相同步發(fā)電機(jī)260
12.17關(guān)于感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的更多討論261
12.18發(fā)電機(jī)的頻率262
12.19發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電流263
12.20機(jī)械功率264
12.21效率264
12.22發(fā)電機(jī)的并聯(lián)265
12.23風(fēng)力機(jī)的配置266
12.24三相交流電壓、電流和功率的計(jì)算269
12.25三相功率270
12.26平衡與非平衡負(fù)載272
12.27電力傳輸272
12.28電網(wǎng)連接274
12.29風(fēng)電場274
12.30風(fēng)力機(jī)的額定功率275
第13章燃料電池278
13.1一些有用的術(shù)語279
13.2什么是燃料電池？279
13.3電解281
13.4燃料電池的工作原理282
13.5氫氧燃料電池的電氣特性283
13.6燃料電池的基本電化學(xué)反應(yīng)285
13.7電池堆疊285
13.8燃料電池的優(yōu)點(diǎn)287
13.9燃料電池的類型288
附錄301
術(shù)語表313
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