太陽(yáng)能物理

內(nèi)容概要

太陽(yáng)能是一種新型可再生能源，也是21世紀(jì)大力發(fā)展的新能源?！秶?guó)際電氣工程先進(jìn)技術(shù)譯叢：太陽(yáng)能物理》涉及與太陽(yáng)能、太陽(yáng)輻射等相關(guān)的物理學(xué)、材料學(xué)、電化學(xué)等學(xué)科，重點(diǎn)介紹了太陽(yáng)能原理及其相關(guān)物理基礎(chǔ)，包括電磁波理論、光子理論、太陽(yáng)基本參數(shù)與結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)方位天文學(xué)、大氣效應(yīng)與淺層地?zé)崮?、熱力學(xué)、量子力學(xué)、太陽(yáng)電池、光合作用、電化學(xué)等知識(shí)，同時(shí)還介紹了太陽(yáng)能熱水器和太陽(yáng)能集熱器、太陽(yáng)能建筑等具體應(yīng)用和實(shí)例?！秶?guó)際電氣工程先進(jìn)技術(shù)譯叢：太陽(yáng)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(guān)專業(yè)研究生及教師的參考教材。

作者簡(jiǎn)介

陳成鈞，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)應(yīng)用物理和應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)的客座教授和高級(jí)研究員。研究方向主要包括掃描隧道顯微鏡、人類語(yǔ)音的數(shù)學(xué)建模以及太陽(yáng)能應(yīng)用。在進(jìn)入高校學(xué)術(shù)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(yīng)用的中文語(yǔ)音識(shí)別算法。

書籍目錄

譯者序 原書前言 第1章 緒論 1.1 太陽(yáng)能 1.2 走向后石油時(shí)代 1.3 其他可再生能源 1.3.1 水力發(fā)電 1.3.2 風(fēng)力發(fā)電 1.3.3 生物質(zhì)和生質(zhì)能 1.3.4 淺層地?zé)崮?1.3.5 深層地?zé)崮?1.4 太陽(yáng)光伏基礎(chǔ) 1.4.1 現(xiàn)代太陽(yáng)電池的誕生 1.4.2 太陽(yáng)電池的相關(guān)概念 1.4.3 太陽(yáng)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(yáng)能與經(jīng)濟(jì) 1.5.2 太陽(yáng)能與和平 1.5.3 世界各地的太陽(yáng)能熱水器 1.5.4 光伏：趨向電網(wǎng)平價(jià) 習(xí)題 第2章 太陽(yáng)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(shì) 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(chǎng)和磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 2.2 光學(xué)薄膜 2.2.1 相對(duì)電介質(zhì)常數(shù)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(yīng)和光子概念 2.4.1愛因斯坦的光子理論 2.4.2 Millikan的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 2.4.3 波粒二象性 2.5 愛因斯坦的黑體方程推導(dǎo) 習(xí)題 第3章 太陽(yáng)能起源 3.1 太陽(yáng)的基本參數(shù) 3.1.1 距離 3.1.2 質(zhì)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(shí)間尺度 3.3 太陽(yáng)能的來(lái)源 3.3.1 p—p鏈 3.3.2 碳鏈 3.3.3 太陽(yáng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 習(xí)題 第4章 跟蹤太陽(yáng)光 4.1 地球自轉(zhuǎn)：緯度和經(jīng)度 4.2 天球 4.2.1 坐標(biāo)變換：直角坐標(biāo)系 4.2.2 坐標(biāo)變換：球面三角法 4.3 基于太陽(yáng)時(shí)的處理 4.3.1 黃赤交角和太陽(yáng)赤緯 4.3.2 日出時(shí)間與日落時(shí)間 4.3.3 任意表面上的直接太陽(yáng)輻射 4.3.4 每日直接太陽(yáng)輻射能量 4.3.5 24節(jié)氣 4.4 基于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的處理 4.4.1 恒星時(shí)和太陽(yáng)時(shí) 4.4.2 太陽(yáng)的赤經(jīng) 4.4.3 起源于黃赤交角的時(shí)差 4.4.4 遠(yuǎn)日點(diǎn)和近日點(diǎn) 4.4.5 起源于地球軌道離心率的時(shí)差 4.4.6 時(shí)間方程 4.4.7 太陽(yáng)的赤緯 4.4.8 太陽(yáng)的日行跡 習(xí)題 第5章 太陽(yáng)光與地球的相互作用 5.1 輻射與物質(zhì)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(yáng)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?qǐng)D 5.2.3 晴朗指數(shù) 5.2.4 直射和漫射太陽(yáng)輻射 5.3 滲透到地球的太陽(yáng)能 習(xí)題 第6章 太陽(yáng)能熱力學(xué) 6.1 定義 6.2 熱力學(xué)第一定律 6.3 熱力學(xué)第二定律 6.3.1 卡諾循環(huán) 6.3.2 熱力學(xué)溫度 6.3.3 熵 6.4 熱力學(xué)函數(shù) 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(xué)勢(shì) 6.5 理想氣體 6.6 地源熱泵和空調(diào) 6.6.1 原理 6.6.2 性能系數(shù) 6.6.3 蒸氣壓縮熱泵和制冷機(jī) 6.6.4 地?zé)峤粨Q器 習(xí)題 第7章 量子躍遷 7.1 量子力學(xué)的基本概念 7.1.1 量子態(tài)：能級(jí)和波函數(shù) 7.1.2 動(dòng)態(tài)變量和運(yùn)動(dòng)方程 7.1.3 一維勢(shì)阱 7.1.4 氫原子 7.2 多電子原子系統(tǒng) 7.2.1 單電子近似 7.2.2 量子態(tài)的直接觀測(cè) 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(dòng)的時(shí)變微擾 7.3.2 連續(xù)光譜的黃金法則 7.3.3 細(xì)致平衡原理 7.4 與光子的交互作用 習(xí)題 第8章 pn結(jié) 8.1 半導(dǎo)體 8.1.1 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體 8.1.2 電子和空穴 8.1.3 p型和n型半導(dǎo)體 8.2 pn結(jié)的形成 8.3 pn結(jié)分析 8.3.1 偏置電壓效應(yīng) 8.3.2 過剩少數(shù)載流子的壽命 8.3.3 pn結(jié)電流 8.3.4 Shockley方程 習(xí)題 第9章 半導(dǎo)體太陽(yáng)電池 9.1 基本概念 9.1.1 電能產(chǎn)生 9.1.2 太陽(yáng)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(fù)合時(shí)間的影響 9.2.3 細(xì)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(wú)輻射復(fù)合過程 9.3.1 俄歇復(fù)合 9.3.2 陷阱態(tài)復(fù)合 9.3.3 表面態(tài)復(fù)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(yáng)電池 9.5.1 純硅的生產(chǎn) 9.5.2 太陽(yáng)電池設(shè)計(jì)和處理 9.5.3 模塊組裝 9.6 薄膜太陽(yáng)電池 9.6.1 CdTe太陽(yáng)電池 9.6.2 CIGS太陽(yáng)電池 9.6.3 非晶硅薄膜太陽(yáng)電池 9.7 疊層太陽(yáng)電池 習(xí)題 第10章 太陽(yáng)能電化學(xué) 10.1 光合作用的物理學(xué) 10.1.1 葉綠素 10.1.2 ATP：生物界的通用儲(chǔ)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(zhuǎn)基因藻類 10.4 染料敏化太陽(yáng)電池 10.5 雙層有機(jī)太陽(yáng)電池 習(xí)題 第11章 太陽(yáng)熱能 11.1 早期太陽(yáng)熱能應(yīng)用 11.2 太陽(yáng)能集熱器 11.2.1 選擇性吸收表面 11.2.2 平板太陽(yáng)能集熱器 11.2.3 全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器 11.2.4 熱管式太陽(yáng)能集熱器 11.2.5 高壓真空管太陽(yáng)能集熱器 11.3 太陽(yáng)能熱水器 11.3.1 具有熱管式太陽(yáng)能集熱器的系統(tǒng) 11.3.2 具有承壓熱交換器的系統(tǒng) 11.3.3 具有獨(dú)立熱交換水箱的系統(tǒng) 11.4 太陽(yáng)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(dòng)機(jī) 11.4.4 太陽(yáng)能的組合集成 11.4.5 線性菲涅爾反射聚光器 習(xí)題 第12章 能量存儲(chǔ) 12.1 顯熱存儲(chǔ) 12.1.1 水 12.1.2 固體顯熱存儲(chǔ)材料 12.1.3 合成油與填充床 12.2 相變存儲(chǔ) 12.2.1 水冰系統(tǒng) 12.2.2 石蠟和其他有機(jī)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(xué) 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(chǎn)資源 12.4 太陽(yáng)能和電動(dòng)汽車 習(xí)題 第13章 陽(yáng)光建筑 13.1 早期太陽(yáng)能建筑 13.1.1 古代太陽(yáng)能建筑 13.1.2 中國(guó)農(nóng)村房屋的整體結(jié)構(gòu) 13.2 建筑材料 13.2.1 熱阻 13.2.2 比熱阻 13.2.3 熱導(dǎo)系數(shù)：U值 13.2.4 熱質(zhì) 13.2.5 玻璃窗 13.3 整體設(shè)計(jì)舉例 13.4 太陽(yáng)能社區(qū)的土地利用 習(xí)題 附錄 附錄A 能量單位轉(zhuǎn)換 附錄B 球面三角學(xué) 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(xí)題 附錄C 量子力學(xué)基礎(chǔ) C.1 諧振子 C.2 角動(dòng)量 C.3 氫原子 附錄D 粒子統(tǒng)計(jì) D.1 麥克斯韋一玻爾茲曼統(tǒng)計(jì) D.2 費(fèi)米—狄拉克統(tǒng)計(jì) 附錄 EAM1.5參考太陽(yáng)光譜 符號(hào)列表 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：   插圖：   在2009年3月美國(guó)新聞與世界報(bào)道對(duì)美國(guó)能源部長(zhǎng)朱棣文的采訪中，朱棣文提到改進(jìn)建筑設(shè)計(jì)對(duì)節(jié)能的重要性。 人們經(jīng)常抱怨提高能效和節(jié)能并無(wú)太大用處，且技術(shù)含量低。其實(shí)并非如此，提高能效和節(jié)能大有作為并需要高科技技術(shù)……假設(shè)你正在修建一幢新房屋。麥肯錫調(diào)查研究表明一年半時(shí)間內(nèi)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(duì)于新房屋和建筑，有效管理是一方面。但設(shè)計(jì)的改進(jìn)也會(huì)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(fèi)用。 2009年，麥肯錫發(fā)布了兩個(gè)題為“破解美國(guó)經(jīng)濟(jì)的能源效率”和“中國(guó)的綠色革命”的報(bào)告。在這兩個(gè)報(bào)告中，針對(duì)世界上化石燃料能耗最多的兩個(gè)大國(guó)所面臨的問題進(jìn)行了詳細(xì)剖析并提出建議。最終的主要結(jié)論為： 提高能效可對(duì)美國(guó)經(jīng)濟(jì)提供大量低成本能源，但這需要國(guó)家制定一個(gè)全面且創(chuàng)新的方法來(lái)解決。對(duì)于一些重大且持久性的難題需進(jìn)行多層次處理，以促進(jìn)提高能源效率的需求，并對(duì)1億多幢建筑和數(shù)十億的設(shè)備進(jìn)行管理和改進(jìn)。如果大范圍推廣執(zhí)行，采用整體設(shè)計(jì)方法將會(huì)節(jié)省超過價(jià)值1.2萬(wàn)億美元的能源，但需前期投資520多億美元用于提高能效…… 實(shí)際上，最有效的節(jié)能方法是在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用被動(dòng)設(shè)計(jì)?？傮w來(lái)說，建筑能耗大約占到世界總能源的40％。利用房屋整體設(shè)計(jì)方法，可節(jié)能高達(dá)50％。整體設(shè)計(jì)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(yáng)熱能，而在炎熱地區(qū)最優(yōu)利用太陽(yáng)熱能。 2）設(shè)計(jì)建筑物窗戶的位置可減少對(duì)空調(diào)，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(dòng)設(shè)計(jì)來(lái)降低其需求。 目前，整體設(shè)計(jì)方法面臨兩個(gè)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(shè)計(jì)思想中。而如今，通常采用化石燃料的主動(dòng)供暖和制冷系統(tǒng)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(nèi)很少討論如何提高能效問題。而那些會(huì)更多考慮能效問題的土木工程師往往將精力用于按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行執(zhí)行，而很少參與到設(shè)計(jì)決策中。 有效利用太陽(yáng)能進(jìn)行建筑物的整體設(shè)計(jì)方法并不新穎，早在許多古代文明中已實(shí)踐過，但如今已幾乎被發(fā)達(dá)世界所遺忘。為建設(shè)21世紀(jì)美好未來(lái)，需要復(fù)興建筑物整體設(shè)計(jì)技術(shù)。

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