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出版者:McGraw-Hill Professional

作者:Francis Vanek

出品人:

页数:532

译者:

出版时间:2008-5-19

价格:USD 89.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9780071495936

丛书系列:

图书标签:

• 能源系统
• 能源工程
• 系统工程
• 可再生能源
• 能源转换
• 能源效率
• 能源管理
• 热力学
• 流体力学
• 控制工程

能源系统工程 导论：面向可持续未来的复杂性与集成 在人类文明迈向可持续发展未来的征程中，能源系统的转型与优化已成为全球性的核心议题。本书《能源系统工程》旨在为读者提供一个全面、深入且高度实用的框架，用以理解、分析、设计和管理现代能源基础设施所面临的复杂挑战。我们聚焦于跨学科的集成思维，探讨如何在高可靠性、经济可行性与环境可持续性的多重约束下，构建下一代能源生态系统。 本书并非对特定技术流派的简单罗列，而是致力于揭示支撑所有能源流动的基本原理、建模方法论以及系统级优化策略。我们强调，在能源领域，系统的边界是流动的，从初级资源的开采到最终用户的消费，每一个环节的决策都必须考虑到对整体网络动态的影响。 --- 第一部分：能源基础与系统分析的底层逻辑 本部分奠定分析复杂能源系统的理论基石，着重于能源转换的物理极限与系统状态的量化描述。 第一章：能源转换的物理与热力学基础 本章深入探讨能源流动的基本驱动力——热力学定律在工程实践中的应用。我们超越了教科书式的定义，关注熵增在实际能源设备（如燃气轮机、斯特林发动机）中的不可逆损失，并引入先进的能源效率度量标准，如艾克斯吉（Exergy）分析。这种分析方法使我们能够精确识别系统中的“能源品质”损失点，指导更高效率的设计迭代。内容涵盖： 不可逆性分析与系统损失定位： 如何通过热力学第二定律的视角，评估化石燃料、生物质能以及核能转换过程中的有效能量耗散。 能量与物料的平衡闭环： 建立适用于大型工业流程和区域能源中心的稳态与动态平衡模型。 先进传热技术在能源系统中的应用： 从材料科学角度审视高温热交换器、相变材料（PCM）在储热中的潜力。 第二章：电力系统的拓扑结构与潮流分析 电力是现代能源系统的核心载体，本章专注于电网的结构、运行约束及潮流计算的工程实践。我们关注的重点在于如何描述和预测电能在复杂网络中的传输行为。 电网拓扑与元件建模： 详细解析发电机、变压器、输电线路的非线性模型，特别是导线电阻、电感、电容对长距离输电的影响。 潮流计算（Power Flow Analysis）： 介绍牛顿-拉夫逊法（Newton-Raphson）及快速近似算法在实际电网调度中的应用，强调收敛性分析与奇异点的处理。 暂态稳定性的初步考量： 引入电压稳定性与功角稳定的概念，解释同步电机在扰动下的动态响应，为后续的系统控制打下基础。 第三章：能源系统中的经济学与市场机制 能源系统的运行决策，本质上是经济效益与技术可行性的权衡。本章将工程分析与经济学原理紧密结合。 边际成本定价与经济调度： 阐述如何根据发电成本曲线，通过基于单位发电成本（Marginal Cost）的优化方法，确定最优的发电机组组合，以最低成本满足需求。 容量市场与辅助服务机制： 深入分析为确保电网可靠性而设立的电力市场结构，包括调频、备用容量的激励机制设计。 风险评估与不确定性量化： 探讨能源价格波动、负荷需求变化对系统投资决策和运营风险的影响，引入情景分析和蒙特卡洛模拟方法。 --- 第二部分：面向未来的能源载流子与集成技术 本部分将视角扩展到传统化石燃料之外的多元化能源载流子，以及实现其高效利用和储存的关键技术。 第四章：先进的储能技术：从物理到化学 能源系统的韧性（Resilience）直接取决于其储能能力。本章系统性地考察不同技术路线的工程特性、效率曲线和规模化潜力。 电化学储能系统（ESS）： 深入分析锂离子电池组的内部电化学反应、热管理挑战（Thermal Runaway 预防），以及规模化并网逆变器的设计要求。比较钠离子、液流电池的独特优势与限制。 机械与热力储能： 详细解析抽水蓄能（PHS）的场地限制与机电耦合特性；探讨压缩空气储能（CAES）和飞轮储能（FES）在电网惯量支撑方面的作用。 长周期储能的工程化： 考察绿色氢气（Power-to-Gas）作为季节性储能载体的可行性，包括电解槽效率、管道运输的能耗模型。 第五章：分布式能源与微电网的工程设计 随着能源消费侧的赋权，集中式系统正向多层级、分散化的架构演变。本章专注于微电网的构建、控制与自治能力。 微电网的拓扑与运行模式： 解析并网模式（Grid-Connected）和孤岛模式（Islanded Mode）间的无缝切换技术，重点介绍同步器与无功功率控制策略。 分布式发电单元（DER）的建模： 太阳能光伏阵列的实际输出模型（考虑遮挡与温度效应）、小型风力涡轮机的气动耦合分析。 先进的保护与控制： 探讨在无惯量源（Inertia-less）的微电网中，如何利用先进的电力电子技术实现电压和频率的快速恢复，避免级联故障。 第六章：热能系统的深度耦合与集成 现代能源工程的核心挑战之一是打破电、热、燃料之间的壁垒。本章聚焦于能源梯级利用和跨部门集成。 热电联产（CHP）的高级优化： 探讨如何根据冷、热、电的同步需求曲线，动态调整联合循环的负荷分配，最大化燃料利用率。 区域供热网络的设计与控制： 引入流体动力学模型，优化热力管网的泵送能耗；分析低温供热网络（如利用第四代核反应堆余热）的经济性。 能源枢纽（Energy Hubs）的概念化： 建立统一的优化框架，平衡电网、天然气管网、储能设施之间的能量交换，实现整体系统层面的协同效益最大化。 --- 第三部分：系统优化、控制与未来韧性 本部分将理论与工程实践提升到系统级决策层面，探讨如何利用先进的计算工具来确保能源系统的可靠、高效和可持续运行。 第七章：系统优化：线性规划到非线性求解 系统的设计与调度是典型的约束优化问题。本章系统介绍解决不同类型能源优化问题的数学工具集。 线性规划（LP）在机组组合中的应用： 阐述如何将短期调度问题（如24小时滚动计划）建模为约束线性程序，并利用内点法求解。 非线性优化与动态规划： 针对包含非线性元件（如电池充放电效率随荷电状态变化）的复杂问题，引入序列二次规划（SQP）等方法。 鲁棒优化与随机规划： 应对可再生能源间歇性引入的预测误差，构建能抵御不确定性波动的最优运行策略。 第八章：能源系统的数字化控制与人工智能驱动 电力电子和信息技术已成为能源系统的神经系统。本章关注实时控制与数据驱动的决策。 先进的电力电子控制（MPC）： 介绍模型预测控制（Model Predictive Control）在管理快速响应的储能设备和柔性负荷中的优势，强调其对系统约束的内在处理能力。 负荷预测与可再生能源出力预测： 深入分析时间序列分析（ARIMA, GARCH）与深度学习模型（LSTM, Transformer）在短期负荷预测中的精度提升，以及对电网调度的影响。 网络化安全与韧性设计： 探讨系统在面对网络攻击（Cyber-Attack）或自然灾害时的自愈能力，包括拓扑重构算法和关键节点的冗余设计。 第九章：生命周期评估与可持续性工程 最终，能源系统的成功取决于其对环境和社会的影响。本章提供量化评估工具，确保工程决策符合长期可持续目标。 从摇篮到坟墓的LCA方法： 系统介绍生命周期评估（LCA）的方法论，用于比较不同发电技术（核电、光伏、燃气）在碳排放、水资源消耗和土地使用上的真实环境负荷。 脱碳路径的工程约束： 分析实现净零排放目标所需的关键技术突破点（如碳捕集与封存CCUS的能耗与规模化挑战），并评估其对现有电网结构的冲击。 系统韧性（System Resilience）的综合指标： 建立超越传统可靠性（Reliability）的指标体系，衡量系统在极端事件发生后的恢复速度和关键功能维持能力。 --- 结语：面向集成化、智能化与去中心化的工程实践 本书提供的框架强调，未来的能源工程师必须是集成者、建模师和跨学科的协调者。成功构建下一代能源系统，要求我们跳出单一技术的思维定式，运用系统工程的视角，在物理、经济和信息层面进行精密的协调与优化。本书的最终目标是培养具备这种宏观视野和微观分析能力的专业人才，以应对人类社会对清洁、可靠且廉价能源的持续需求。

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