太陽能利用

前言

太陽能是眾所周知的可以就地取用、取之不竭、用之不盡的潔凈自然能源。太陽就像天穹中的火球，溫度高達6000K的表面向周圍輻射光和熱。地球是太陽系中距太陽最近的行星，月亮是地球的衛(wèi)星。遠在兩千多年前，我國古籍中就有了陰陽、五行學(xué)說，記載了上天人地、“射日”、“奔月”的奇思妙想，提倡善用天時、地利、人和的優(yōu)勢，運用太陽能育種、采光、培植、曬干、窖存等技藝，創(chuàng)造了農(nóng)耕社會輝煌的進展。然而，太陽能的分散性、到達地面時的低密度（約1kW／m2），還受晝夜、季節(jié)以及晴雨氣候變化和大氣質(zhì)量的影響，難以充當(dāng)“工業(yè)糧食”（能耗）的供應(yīng)源，要滿足社會工業(yè)化、農(nóng)業(yè)工程化和生活現(xiàn)代化對能源的需求，必須創(chuàng)新太陽能利用的聚能、儲能、調(diào)節(jié)以及能源多元化互補的信息化管理等高技術(shù)研究和實用性改進。本書取材豐富，資料翔實，基本覆蓋了太陽輻射熱、太陽光伏發(fā)電和太陽能制氫三大部分。氫氣是優(yōu)異的動力工質(zhì)，燃燒生產(chǎn)水蒸汽，不會污染生態(tài)環(huán)境。自然界含氫物質(zhì)雖然很普遍，但提純氫要耗能，氫只是引人注目的載能介質(zhì)。近年來，有關(guān)氫經(jīng)濟的議論不斷，太陽能制氫能否降低氫的供應(yīng)成本顯然與制氫的技術(shù)經(jīng)濟相關(guān)聯(lián)。太陽能是公認的工業(yè)社會和后工業(yè)社會未來的能源之星，有廣闊的利用前景。國際上正在興起“能源與環(huán)境”技術(shù)（ET）革新的熱潮，太陽能利用面臨著新的發(fā)展機遇。太陽能的合理開發(fā)利用可以減輕對化石燃料的依賴，有利于節(jié)能減排，發(fā)展和推行低碳經(jīng)濟，改善生態(tài)環(huán)境和應(yīng)對全球氣候變暖。從這個視角，本書的出版對太陽能利用感興趣的讀者或能開闊視野，了解國際現(xiàn)狀，展望深度開發(fā)利用的前景而有所裨益。

內(nèi)容概要

　　 本書全面介紹了太陽能利用技術(shù)，分為原理篇、技術(shù)篇、工程篇三部分，共15章。原理篇介紹太陽能利用的基礎(chǔ)知識，以及太陽能工程的光學(xué)設(shè)計原理和傳熱分析原理，這是一切太陽能利用技術(shù)所共同需要的基礎(chǔ)；技術(shù)篇講述光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)、光伏轉(zhuǎn)換技術(shù)、光化學(xué)制氫轉(zhuǎn)換技術(shù)、太陽能表面技術(shù)、太陽能材料、太陽能儲存等，涵蓋了太陽能利用的光熱、光伏和光化學(xué)制氫三大主題，目的是構(gòu)建太陽能利用的工程技術(shù)基礎(chǔ)；工程篇講述太陽能熱利用工程、溫室工程、熱動力發(fā)電工程、光伏發(fā)電工程、生態(tài)工程等，詳細介紹各種太陽能利用專項工程的設(shè)計與分析，最后收尾到工程經(jīng)濟分析。    本書力求說理清晰，文字通順，希望能使讀者對太陽能利用的原理、技術(shù)、工程有全面而正確的了解和掌握。    本書可作為研究機構(gòu)從事太陽能利用研發(fā)的科技人員和高等院校師生的參考用書，也可供有關(guān)管理人員和新能源愛好者閱讀與參考。

作者簡介

劉鑒民，1934年生，教授，1956年畢業(yè)于東南大學(xué)（原南京工學(xué)院）動力工程系，1956-1987年在中國科學(xué)院電工研究所長期從事磁流體發(fā)電和太陽能發(fā)電科研工作；1988-1995年在上海交通大學(xué)任教，從事太陽能光熱、光伏技術(shù)的教學(xué)和科研工作.1965年研制成功我國第一臺燃燒型磁流體發(fā)電實驗機組，獲中科院新技術(shù)成果三等獎；主要參與研制成功磁流體發(fā)電2號機，獲中科院新技術(shù)成果二等獎。1977年開始從事太陽能發(fā)電科研工作.先后研制成功太陽能高溫鉻黑選擇性吸收涂層、太陽能磁阻式直線發(fā)電機、太陽能高真空集熱管、太陽能空腔集熱管等，獲得中科院相關(guān)獎項。曾任第一屆中國太陽能學(xué)會光熱發(fā)電專業(yè)委員會委員、國務(wù)院農(nóng)村能源領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室業(yè)務(wù)組組長。著有《磁流體發(fā)電》、《傳熱傳質(zhì)原理及其在電力科技中的應(yīng)用分析》，合著有《太陽能的利用》、《太陽能實用工程技術(shù)》、《新能源發(fā)電技術(shù)》等十余部著作；發(fā)表學(xué)術(shù)論文五十余篇；申報太陽能專利三項。

書籍目錄

原理篇　第1章  太陽能利用基礎(chǔ)知識　　1.1  太陽能利用的發(fā)展過程　　　1.1.1  太陽能利用發(fā)展簡史　　　1.1.2  太陽能利用的現(xiàn)狀和未來展望　　1.2  太陽　　　1.2.1  太陽的結(jié)構(gòu)　　　1.2.2  太陽輻射　　1.3  日地天文關(guān)系　　　1.3.1  幾個重要天文參數(shù)的定義　　　1.3.2  天球與天球坐標(biāo)系　　　1.3.3  地球繞太陽的運行規(guī)律　　1.4  太陽常數(shù)　　1.5  太陽輻射在地球大氣層中的衰減　　　1.5.1  Bouguer?Lambert定律　　　1.5.2  均質(zhì)大氣概念的近似　　　1.5.3  大氣光學(xué)質(zhì)量　　　1.5.4  大氣透明度　　1.6  地球表面上太陽輻射能的計算　　　1.6.1  地面上太陽輻射強度的計算　　　1.6.2  月平均日太陽輻射總量的計算　　1.7  太陽輻射的測量　　　1.7.1  世界太陽輻射測量標(biāo)準　　　1.7.2  太陽輻射測量儀器　　1.8  中國的太陽能資源　　　1.8.1  太陽能資源的計算　　　1.8.2  中國太陽能資源區(qū)劃　　1.9  太陽能利用的特點、 方法和內(nèi)容　　　1.9.1  太陽能利用的特點　　　1.9.2  太陽能利用的方法和內(nèi)容　第2章  太陽能工程光學(xué)設(shè)計原理　　2.1  概述　　2.2  物體及其表面的光輻射性質(zhì)　　　2.2.1  物體的輻射性質(zhì)　　　2.2.2  物體表面的光輻射性質(zhì)　　2.3  太陽能聚光設(shè)計原理　　　2.3.1  太陽能聚光方式簡介　　　2.3.2  太陽能聚光設(shè)計原理　　　2.3.3  太陽能聚光器的聚光比   　　2.4  反射式聚光設(shè)計　　　2.4.1  槽形拋物面聚光　　　2.4.2  旋轉(zhuǎn)拋物面聚光　　　2.4.3  復(fù)合拋物面聚光（CPC）　　　2.4.4  球面聚光　　　2.4.5  固定條形平面聚光　　　2.4.6  圓漸開線聚光　　　2.4.7  V形面聚光　　2.5  折射式聚光設(shè)計　　　2.5.1  菲涅耳透鏡的演化由來　　　2.5.2  菲涅耳透鏡的基本設(shè)計公式　　　2.5.3  太陽能工程用菲涅耳透鏡　第3章  太陽能應(yīng)用傳熱分析原理　　3.1  導(dǎo)熱　　　3.1.1  平壁導(dǎo)熱　　　3.1.2  圓筒壁導(dǎo)熱　　　3.1.3  肋片導(dǎo)熱　　　3.1.4  導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的情況　　3.2  對流換熱　　　3.2.1  對流與對流換熱的物理基礎(chǔ)　　　3.2.2  對流換熱問題的分類　　　3.2.3  對流換熱問題的求解　　　3.2.4  管內(nèi)對流換熱　　　3.2.5  單根圓管橫向繞流換熱　　　3.2.6  平板夾層有限空間自然對流換熱　　　3.2.7  平板外掠受迫對流換熱　　　3.2.8  堆積床中的對流換熱　　3.3  輻射換熱　　　3.3.1  熱輻射　　　3.3.2  輻射換熱中常用的幾個基本物理概念的定義　　　3.3.3  黑體間的輻射換熱　　　3.3.4  角系數(shù)的解析　　　3.3.5  角系數(shù)的代數(shù)分析計算法　　　3.3.6  灰體間的輻射換熱　　3.4  太陽能工程中幾個特定的傳熱問題　　　3.4.1  光伏組件的傳熱分析　　　3.4.2  聯(lián)集管導(dǎo)流強化對流換熱設(shè)計　　　3.4.3  空腔開口的輻射換熱損失　　　3.4.4  蜂窩結(jié)構(gòu)的傳熱技術(shù)篇　第4章  光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)　第5章  光伏轉(zhuǎn)換技術(shù)　第6章  光化學(xué)制氫轉(zhuǎn)換技術(shù)　第7章  太陽能表面技術(shù)　第8章  太陽能材料　第9章  太陽能儲存工程篇　第10章  太陽能熱利用工程　第11章  太陽能溫室工程　第12章  太陽能熱動力發(fā)電工程　第13章  太陽能光伏發(fā)電工程　第14章  太陽能生態(tài)工程　第15章  太陽能工程經(jīng)濟分析附錄A  以太陽能轉(zhuǎn)換原理為準區(qū)劃的太陽能利用系統(tǒng)與工作內(nèi)容匯總附錄B  疊層玻璃太陽能平板空氣加熱器換熱模型附錄C  太陽總輻射度AM1.5G的Pspice網(wǎng)單參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：1965-1973年，太陽能利用的研究開發(fā)又處于一個低谷期。其主要原因是，由于太陽能利用自身存在的一些特點，如技術(shù)開發(fā)周期長、投資大，經(jīng)濟上一時很難與常規(guī)能源相競爭，以致得不到社會公眾、企業(yè)和政府的重視與支持。1973年，產(chǎn)生世界“石油危機”，客觀上使人們重新認識和評估能源戰(zhàn)略。世界石油和天然氣資源日趨枯竭，分布不均，為了長治久安地維持人類社會的延續(xù)，在能源戰(zhàn)略上必須徹底改變主要依靠常規(guī)能源的供能結(jié)構(gòu)，逐步并有效地向主要依靠可再生能源過渡。由此，全球又一次掀起大力開發(fā)利用太陽能的熱潮，起步最快的是日本。1974年，日本政府制定了“陽光計劃”，其研究開發(fā)項目包括太陽房、太陽能工業(yè)熱利用、太陽能熱動力發(fā)電、太陽能電池及其光伏發(fā)電系統(tǒng)等。為實施這一計劃，日本政府和企業(yè)相繼投入了大量的人力和物力，并取得了長足的進展?？梢赃@樣說，1973一1980年是太陽能利用技術(shù)的研究和開發(fā)工作處于前所未有的大發(fā)展時期。從技術(shù)上看它具有以下的特點：①技術(shù)研究領(lǐng)域不斷擴大，研究工作日益深入，取得了一些優(yōu)秀的成果，如真空集熱管、復(fù)合拋物面聚光器（CPC）、非晶硅太陽能電池、太陽能熱動力發(fā)電和光解水制氫等。②太陽能熱水器和晶體硅太陽能電池等產(chǎn)品開始商業(yè)化，初步建立起太陽能產(chǎn)業(yè)。進入20世紀80年代，由于世界石油價格大幅回落，太陽能產(chǎn)品的性價比仍然很難與常規(guī)能源產(chǎn)品相競爭，以致太陽能利用的研究開發(fā)工作又進人一個新的低谷。20世紀90年代，人們開始注意到，由于大量燃燒礦物燃料，造成了全球性的環(huán)境污染、生態(tài)破壞和氣候變暖，以致對人類的生存和發(fā)展構(gòu)成威脅。人類為了自身的利益，必須大力開發(fā)可再生能源技術(shù)，將太陽能利用和環(huán)境保護緊密結(jié)合在一起，于是太陽能利用的研究開發(fā)工作又走出低谷。21世紀是人們大力開發(fā)利用可再生能源的時代，太陽能利用的目標(biāo)方向是：①開發(fā)太陽能利用的高精尖技術(shù)，如空間太陽能光伏發(fā)電技術(shù)、太陽能熱動力發(fā)電技術(shù)等。②提高太陽能產(chǎn)品的性價比，最終可與常規(guī)能源產(chǎn)品相競爭。③太陽能產(chǎn)品全面進入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化開發(fā)、生產(chǎn)與利用?；仡櫿麄€20世紀，太陽能的開發(fā)利用的道路極不平坦，時冷時熱。究其原因，主要是由于太陽能自身存在的特點，使得其開發(fā)利用的難度很大，產(chǎn)品的性價比不易與常規(guī)能源產(chǎn)品相競爭。當(dāng)然，常規(guī)能源供應(yīng)狀況、戰(zhàn)爭與政治因素，也是重要的影響方面。盡管如此，從總體上看，應(yīng)該說20世紀在太陽能科學(xué)和利用技術(shù)上取得了巨大的進步，為今后人類尋求永久能源奠定了堅實的理論與實踐的物質(zhì)基礎(chǔ)。

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