太陽能物理

內容概要

太陽能是一種新型可再生能源，也是21世紀大力發(fā)展的新能源。《國際電氣工程先進技術譯叢：太陽能物理》涉及與太陽能、太陽輻射等相關的物理學、材料學、電化學等學科，重點介紹了太陽能原理及其相關物理基礎，包括電磁波理論、光子理論、太陽基本參數與結構、太陽方位天文學、大氣效應與淺層地熱能、熱力學、量子力學、太陽電池、光合作用、電化學等知識，同時還介紹了太陽能熱水器和太陽能集熱器、太陽能建筑等具體應用和實例?！秶H電氣工程先進技術譯叢：太陽能物理》可作為從事新能源方向的工程和研究人員的參考書，也可用于高等院校物理、電氣工程及材料相關專業(yè)研究生及教師的參考教材。

作者簡介

陳成鈞，美國哥倫比亞大學應用物理和應用數學專業(yè)的客座教授和高級研究員。研究方向主要包括掃描隧道顯微鏡、人類語音的數學建模以及太陽能應用。在進入高校學術研究之前，曾在IBM的Thomas J.Watson研究中心工作15年之久，在此期間撰寫了《Introductionto Scanning TunelingMicroscopy》一書并開發(fā)了廣泛應用的中文語音識別算法。

書籍目錄

譯者序 原書前言 第1章 緒論 1.1 太陽能 1.2 走向后石油時代 1.3 其他可再生能源 1.3.1 水力發(fā)電 1.3.2 風力發(fā)電 1.3.3 生物質和生質能 1.3.4 淺層地熱能 1.3.5 深層地熱能 1.4 太陽光伏基礎 1.4.1 現代太陽電池的誕生 1.4.2 太陽電池的相關概念 1.4.3 太陽電池的類型 1.4.4 能量平衡 1.5 物理范疇之外 1.5.1 太陽能與經濟 1.5.2 太陽能與和平 1.5.3 世界各地的太陽能熱水器 1.5.4 光伏：趨向電網平價 習題 第2章 太陽輻射特性 2.1 光作為電磁波 2.1.1 麥克斯韋方程 2.1.2 矢量勢 2.1.3 電磁波 2.1.4 平面波 2.1.5 光的偏振 2.1.6 電子在電場和磁場中的運動 2.2 光學薄膜 2.2.1 相對電介質常數和折射率 2.2.2 能量守恒和P0ynting矢量 2.2.3 菲涅爾公式 2.3 黑體輻射 2.3.1 Rayleigh—Jeans定律 2.3.2 普朗克公式和斯特藩—玻爾茲曼定律 2.4 光電效應和光子概念 2.4.1愛因斯坦的光子理論 2.4.2 Millikan的實驗驗證 2.4.3 波粒二象性 2.5 愛因斯坦的黑體方程推導 習題 第3章 太陽能起源 3.1 太陽的基本參數 3.1.1 距離 3.1.2 質量 3.1.3 半徑 3.1.4 發(fā)射功率 3.1.5 表面溫度 3.1.6 元素組成 3.2 Kelvin—Helmholtz時間尺度 3.3 太陽能的來源 3.3.1 p—p鏈 3.3.2 碳鏈 3.3.3 太陽的內部結構 習題 第4章 跟蹤太陽光 4.1 地球自轉：緯度和經度 4.2 天球 4.2.1 坐標變換：直角坐標系 4.2.2 坐標變換：球面三角法 4.3 基于太陽時的處理 4.3.1 黃赤交角和太陽赤緯 4.3.2 日出時間與日落時間 4.3.3 任意表面上的直接太陽輻射 4.3.4 每日直接太陽輻射能量 4.3.5 24節(jié)氣 4.4 基于標準時的處理 4.4.1 恒星時和太陽時 4.4.2 太陽的赤經 4.4.3 起源于黃赤交角的時差 4.4.4 遠日點和近日點 4.4.5 起源于地球軌道離心率的時差 4.4.6 時間方程 4.4.7 太陽的赤緯 4.4.8 太陽的日行跡 習題 第5章 太陽光與地球的相互作用 5.1 輻射與物質的相互作用 5.1.1 吸收率、反射率和透射率 5.1.2 發(fā)射率和基爾霍夫定律 5.1.3 Bouguer—Lambert—Beer定律 5.2 太陽光與大氣層的相互作用 5.2.1 AM1.5的日射光譜輻照度 5.2.2 年均日照圖 5.2.3 晴朗指數 5.2.4 直射和漫射太陽輻射 5.3 滲透到地球的太陽能 習題 第6章 太陽能熱力學 6.1 定義 6.2 熱力學第一定律 6.3 熱力學第二定律 6.3.1 卡諾循環(huán) 6.3.2 熱力學溫度 6.3.3 熵 6.4 熱力學函數 6.4.1 自由能 6.4.2 焓 6.4.3 吉布斯（Gibbs）自由能 6.4.4 化學勢 6.5 理想氣體 6.6 地源熱泵和空調 6.6.1 原理 6.6.2 性能系數 6.6.3 蒸氣壓縮熱泵和制冷機 6.6.4 地熱交換器 習題 第7章 量子躍遷 7.1 量子力學的基本概念 7.1.1 量子態(tài)：能級和波函數 7.1.2 動態(tài)變量和運動方程 7.1.3 一維勢阱 7.1.4 氫原子 7.2 多電子原子系統 7.2.1 單電子近似 7.2.2 量子態(tài)的直接觀測 7.2.3 分子的量子態(tài)：HOMO和LUMO 7.2.4 納米晶體的量子態(tài) 7.3 黃金法則 7.3.1 周期性擾動的時變微擾 7.3.2 連續(xù)光譜的黃金法則 7.3.3 細致平衡原理 7.4 與光子的交互作用 習題 第8章 pn結 8.1 半導體 8.1.1 導體、半導體和絕緣體 8.1.2 電子和空穴 8.1.3 p型和n型半導體 8.2 pn結的形成 8.3 pn結分析 8.3.1 偏置電壓效應 8.3.2 過剩少數載流子的壽命 8.3.3 pn結電流 8.3.4 Shockley方程 習題 第9章 半導體太陽電池 9.1 基本概念 9.1.1 電能產生 9.1.2 太陽電池方程 9.1.3 最大功率和填充因子 9.2 Shockley—Queisser極限 9.2.1 效率上限 9.2.2 載流子復合時間的影響 9.2.3 細致平衡處理 9.2.4 額定效率 9.2.5 shockley—Queisser效率極限 9.2.6 AM1.5輻射的效率極限 9.3 無輻射復合過程 9.3.1 俄歇復合 9.3.2 陷阱態(tài)復合 9.3.3 表面態(tài)復合 9.4 抗反射涂層 9.4.1 矩陣法 9.4.2 單層抗反射涂層 9.4.3 雙層抗反射涂層 9.5 晶體硅太陽電池 9.5.1 純硅的生產 9.5.2 太陽電池設計和處理 9.5.3 模塊組裝 9.6 薄膜太陽電池 9.6.1 CdTe太陽電池 9.6.2 CIGS太陽電池 9.6.3 非晶硅薄膜太陽電池 9.7 疊層太陽電池 習題 第10章 太陽能電化學 10.1 光合作用的物理學 10.1.1 葉綠素 10.1.2 ATP：生物界的通用儲能單元 10.1.3 NADPH和NADP+ 10.1.4 卡爾文循環(huán) lO.1.5 C4植物與C3植物 10.1.6 葉綠體 10.1.7 光合作用的效率 10.2 人工光合作用 10.3 轉基因藻類 10.4 染料敏化太陽電池 10.5 雙層有機太陽電池 習題 第11章 太陽熱能 11.1 早期太陽熱能應用 11.2 太陽能集熱器 11.2.1 選擇性吸收表面 11.2.2 平板太陽能集熱器 11.2.3 全玻璃真空管太陽能集熱器 11.2.4 熱管式太陽能集熱器 11.2.5 高壓真空管太陽能集熱器 11.3 太陽能熱水器 11.3.1 具有熱管式太陽能集熱器的系統 11.3.2 具有承壓熱交換器的系統 11.3.3 具有獨立熱交換水箱的系統 11.4 太陽熱發(fā)電 11.4.1 拋物面槽式聚光器 11.4.2 定日鏡和中央接收器 11.4.3 拋物面碟狀聚光器和Stirling發(fā)動機 11.4.4 太陽能的組合集成 11.4.5 線性菲涅爾反射聚光器 習題 第12章 能量存儲 12.1 顯熱存儲 12.1.1 水 12.1.2 固體顯熱存儲材料 12.1.3 合成油與填充床 12.2 相變存儲 12.2.1 水冰系統 12.2.2 石蠟和其他有機材料 12.2.3 鹽水合物 12.2.4 PCM封裝 12.3 蓄電池 12.3.1 蓄電池的電化學 12.3.2 鉛酸蓄電池 12.3.3 鎳氫蓄電池 12.3.4 鋰電池 12.3.5 鋰的礦產資源 12.4 太陽能和電動汽車 習題 第13章 陽光建筑 13.1 早期太陽能建筑 13.1.1 古代太陽能建筑 13.1.2 中國農村房屋的整體結構 13.2 建筑材料 13.2.1 熱阻 13.2.2 比熱阻 13.2.3 熱導系數：U值 13.2.4 熱質 13.2.5 玻璃窗 13.3 整體設計舉例 13.4 太陽能社區(qū)的土地利用 習題 附錄 附錄A 能量單位轉換 附錄B 球面三角學 B.1 球面三角形 B.2 余弦公式 B.3 正弦公式 B.4 公式C 習題 附錄C 量子力學基礎 C.1 諧振子 C.2 角動量 C.3 氫原子 附錄D 粒子統計 D.1 麥克斯韋一玻爾茲曼統計 D.2 費米—狄拉克統計 附錄 EAM1.5參考太陽光譜 符號列表 參考文獻

章節(jié)摘錄

版權頁：   插圖：   在2009年3月美國新聞與世界報道對美國能源部長朱棣文的采訪中，朱棣文提到改進建筑設計對節(jié)能的重要性。 人們經常抱怨提高能效和節(jié)能并無太大用處，且技術含量低。其實并非如此，提高能效和節(jié)能大有作為并需要高科技技術……假設你正在修建一幢新房屋。麥肯錫調查研究表明一年半時間內在材料和人力上多投資1000美元，則可節(jié)省大量能源。盡管對于新房屋和建筑，有效管理是一方面。但設計的改進也會使人們信服，即一小部分的前期投資可有效減少每月賬單費用。 2009年，麥肯錫發(fā)布了兩個題為“破解美國經濟的能源效率”和“中國的綠色革命”的報告。在這兩個報告中，針對世界上化石燃料能耗最多的兩個大國所面臨的問題進行了詳細剖析并提出建議。最終的主要結論為： 提高能效可對美國經濟提供大量低成本能源，但這需要國家制定一個全面且創(chuàng)新的方法來解決。對于一些重大且持久性的難題需進行多層次處理，以促進提高能源效率的需求，并對1億多幢建筑和數十億的設備進行管理和改進。如果大范圍推廣執(zhí)行，采用整體設計方法將會節(jié)省超過價值1.2萬億美元的能源，但需前期投資520多億美元用于提高能效…… 實際上，最有效的節(jié)能方法是在建筑結構中應用被動設計?？傮w來說，建筑能耗大約占到世界總能源的40％。利用房屋整體設計方法，可節(jié)能高達50％。整體設計方法的原則包括： 1）選擇建筑物的朝向和位置，使得其在寒冷地區(qū)可有效吸收太陽熱能，而在炎熱地區(qū)最優(yōu)利用太陽熱能。 2）設計建筑物窗戶的位置可減少對空調，電扇和暖氣的依賴。 3）使用較小的加熱器或冷卻器，盡可能采用被動設計來降低其需求。 目前，整體設計方法面臨兩個挑戰(zhàn)。首先是需要將該理念植入建筑行業(yè)專業(yè)人士的設計思想中。而如今，通常采用化石燃料的主動供暖和制冷系統仍被看做是最佳方法。其次是解決建筑工程師與土木工程師之間缺少有效溝通的問題。在建筑師業(yè)內很少討論如何提高能效問題。而那些會更多考慮能效問題的土木工程師往往將精力用于按照設計方案進行執(zhí)行，而很少參與到設計決策中。 有效利用太陽能進行建筑物的整體設計方法并不新穎，早在許多古代文明中已實踐過，但如今已幾乎被發(fā)達世界所遺忘。為建設21世紀美好未來，需要復興建筑物整體設計技術。

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