太阳能利用 原理·技术·工程PDF电子书下载

原理篇 1

第1章　太阳能利用基础知识 1

1.1　太阳能利用的发展过程 1

1.1.1　太阳能利用发展简史 1

1.1.2　太阳能利用的现状和未来展望 3

1.2　太阳 6

1.2.1　太阳的结构 7

1.2.2　太阳辐射 8

1.3　日地天文关系 9

1.3.1　几个重要天文参数的定义 10

1.3.2　天球与天球坐标系 12

1.3.3　地球绕太阳的运行规律 14

1.4　太阳常数 17

1.5　太阳辐射在地球大气层中的衰减 18

1.5.1 Bouguer-Lambert定律 18

1.5.2　均质大气概念的近似 18

1.5.3　大气光学质量 19

1.5.4　大气透明度 20

1.6　地球表面上太阳辐射能的计算 20

1.6.1　地面上太阳辐射强度的计算 21

1.6.2　月平均日太阳辐射总量的计算 24

1.7　太阳辐射的测量 28

1.7.1　世界太阳辐射测量标准 28

1.7.2　太阳辐射测量仪器 28

1.8　中国的太阳能资源 31

1.8.1　太阳能资源的计算 31

1.8.2　中国太阳能资源区划 31

1.9　太阳能利用的特点、方法和内容 33

1.9.1　太阳能利用的特点 33

1.9.2　太阳能利用的方法和内容 34

第2章　太阳能工程光学设计原理 35

2.1　概述 35

2.2　物体及其表面的光辐射性质 36

2.2.1　物体的辐射性质 36

2.2.2　物体表面的光辐射性质 36

2.3　太阳能聚光设计原理 37

2.3.1　太阳能聚光方式简介 37

2.3.2　太阳能聚光设计原理 38

2.3.3　太阳能聚光器的聚光比 42

2.4　反射式聚光设计 45

2.4.1　槽形抛物面聚光 45

2.4.2　旋转抛物面聚光 49

2.4.3　复合抛物面聚光（CPC） 52

2.4.4　球面聚光 56

2.4.5　固定条形平面聚光 58

2.4.6　圆渐开线聚光 60

2.4.7　V形面聚光 60

2.5　折射式聚光设计 61

2.5.1　菲涅耳透镜的演化由来 61

2.5.2　菲涅耳透镜的基本设计公式 62

2.5.3　太阳能工程用菲涅耳透镜 63

第3章　太阳能应用传热分析原理 65

3.1　导热 65

3.1.1　平壁导热 65

3.1.2　圆筒壁导热 66

3.1.3　肋片导热 66

3.1.4　导热系数随温度变化的情况 67

3.2　对流换热 68

3.2.1　对流与对流换热的物理基础 68

3.2.2　对流换热问题的分类 70

3.2.3　对流换热问题的求解 71

3.2.4　管内对流换热 72

3.2.5　单根圆管横向绕流换热 74

3.2.6　平板夹层有限空间自然对流换热 75

3.2.7　平板外掠受迫对流换热 77

3.2.8　堆积床中的对流换热 77

3.3　辐射换热 78

3.3.1　热辐射 78

3.3.2　辐射换热中常用的几个基本物理概念的定义 78

3.3.3　黑体间的辐射换热 80

3.3.4　角系数的解析 80

3.3.5　角系数的代数分析计算法 81

3.3.6　灰体间的辐射换热 82

3.4　太阳能工程中几个特定的传热问题 84

3.4.1　光伏组件的传热分析 84

3.4.2　联集管导流强化对流换热设计 87

3.4.3　空腔开口的辐射换热损失 88

3.4.4　蜂窝结构的传热 90

技术篇 93

第4章　光热转换技术 93

4.1　概述 93

4.2　平板集热 94

4.2.1　太阳能平板集热器 94

4.2.2　平板集热设计 117

4.3　真空管集热 120

4.4　太阳能空气加热 124

4.4.1　基本形式和工作原理 124

4.4.2　无孔平板太阳能空气加热器及其热性能分析 126

4.4.3　多孔吸热板太阳能空气加热器及其热性能分析 129

4.5　聚光集热 131

4.5.1　点聚焦集热 131

4.5.2　线聚焦集热 132

4.5.3　低倍率聚光集热 134

4.6　集热器的性能试验 136

4.6.1　瞬时热性能试验 136

4.6.2　结构强度试验 138

4.6.3　性能老化试验 138

第5章　光伏转换技术 139

5.1　半导体物理基础 139

5.1.1　原子的能级 139

5.1.2　晶体结构 139

5.1.3　晶体中能带的形成 140

5.1.4　本征半导体和掺杂半导体 142

5.1.5　费米能级与载流子浓度 144

5.1.6　半导体的光吸收特性 146

5.1.7　载流子的产生 149

5.1.8　载流子的输运 149

5.1.9　载流子的复合 151

5.2　太阳能电池基本理论 154

5.2.1 同质结太阳能电池理论 154

5.2.2　肖特基结太阳能电池理论 176

5.2.3　异质结太阳能电池理论 182

5.3　硅太阳能电池 188

5.3.1　硅太阳能电池的分类与技术发展简况 188

5.3.2　典型晶体硅太阳能电池的结构 189

5.3.3　晶体硅太阳能电池的设计 189

5.3.4　晶体硅太阳能电池典型生产工艺简介 196

5.3.5　硅太阳能电池高效化和薄膜化发展趋势 198

5.4　化合物半导体太阳能电池 201

5.4.1　砷化镓太阳能电池 201

5.4.2　CdS/CuInSe2薄膜太阳能电池 206

5.5　多结叠层太阳能电池 209

5.5.1　多结太阳能电池的基本工作原理 209

5.5.2　叠层太阳能电池的构造 211

5.5.3　叠层太阳能电池的电性能 212

5.6　太阳能电池特性的测量 214

5.6.1　太阳能电池基本物理参数的测定 215

5.6.2　太阳能电池电性能测量 218

5.6.3　太阳能电池电特性的测量装置 220

第6章　光化学制氢转换技术 223

6.1　光电化学分解水制氢 224

6.1.1　基本工作原理 224

6.1.2　多结叠层太阳能电池直接电解水制氢 225

6.2　光催化分解水制氢 226

6.2.1　半导体体系 226

6.2.2　金属配合物体系 227

6.3　热分解水制氢 228

6.3.1　直接热分解法 228

6.3.2　热化学分解水制氢 228

6.4　太阳能发电电解水制氢 229

6.4.1　系统组成 230

6.4.2　太阳能电解水制氢效率 230

6.5　光生物化学分解水制氢 230

6.6　太阳能制氢技术难点与前景展望 232

6.6.1　太阳能制氢的技术难点 232

6.6.2　太阳能制氢的前景展望 233

第7章　太阳能表面技术 235

7.1　概述 235

7.2　光谱选择性表面的工作原理、分类及其制作方法 235

7.2.1　光谱选择性表面的工作原理 235

7.2.2　光谱选择性表面的分类 237

7.2.3　光谱选择性表面的制作方法 238

7.3　光谱选择性吸收涂层 240

7.3.1　光谱选择性吸收涂层的特征参数 240

7.3.2　光谱选择性本征材料 241

7.3.3　选择性吸收涂层的制作 242

7.4　光谱选择性透过涂层 251

7.4.1　光谱选择性透过涂层的工作原理 251

7.4.2　选择性透过涂层的制作 252

7.5　减反射膜 256

7.5.1　减反射涂层工作原理 256

7.5.2　减反射涂层的制作 258

7.6　绒面技术 261

7.6.1　角锥绒面的光学原理 261

7.6.2　硅片绒面的制作 262

7.7　太阳辐射吸收率的测量 265

7.7.1　卡计法 265

7.7.2　反射率测量法 266

第8章　太阳能材料 268

8.1　透光材料 268

8.1.1　无机透明材料 268

8.1.2　有机透明材料 270

8.2　反光材料 271

8.2.1 纯金属的反射率 272

8.2.2　太阳能工程中常用的几种反射表面 272

8.3　吸收体材料 273

8.4　隔热材料 275

8.5　太阳能级硅材料 276

8.5.1　太阳能级硅的提纯新工艺 277

8.5.2　从废硅片回收太阳能级硅 277

8.6　太阳能电池封装材料 278

第9章　太阳能储存 281

9.1　概述 281

9.2　太阳能储存技术及其分类 282

9.3　显热储存 283

9.3.1　显热储存原理 283

9.3.2　液体显热储存 284

9.3.3　固体显热储存 288

9.4　潜热储存 291

9.4.1　潜热储存原理 291

9.4.2　潜热储存的特点 291

9.4.3　潜热储热材料的选择 292

9.4.4　潜热蓄热体储热量的计算 294

9.4.5　潜热储存装置简介 295

9.5　可逆化学反应热储存 296

9.6　电储存 299

9.6.1　酸性蓄电池 299

9.6.2　碱性蓄电池 301

9.6.3　铅酸蓄电池与镉-镍蓄电池的性能比较 302

工程篇 303

第10章　太阳能热利用工程 303

10.1　概述 303

10.2　太阳能供热系统 303

10.2.1　太阳能热水系统 304

10.2.2　家用太阳能热水器 321

10.2.3　太阳能热风系统 325

10.2.4　太阳能供热系统长期性能的评估 327

10.3　太阳能工业热利用 330

10.3.1　工业生产工艺过程用热结构分析 331

10.3.2　太阳能工业生产热利用系统的设计 331

10.3.3　系统日平均效率 335

10.3.4　太阳能工业热利用实例简介 335

10.4　太阳灶 336

10.4.1　太阳灶的基本原理 336

10.4.2　聚光式太阳灶 337

10.4.3　热箱式太阳灶 347

10.5　太阳能制冷 348

10.5.1　概述 348

10.5.2　太阳能吸收式制冷 349

10.5.3　太阳能吸附式制冷 358

10.6　太阳池 361

10.6.1　历史发展简介 361

10.6.2　太阳池的工作原理 361

10.6.3　太阳池对入射太阳辐射的吸收 362

10.6.4　热性能分析 363

10.6.5　太阳池的热利用 367

10.7　太阳炉 368

10.7.1　太阳炉的发展简史 368

10.7.2　太阳炉的分类、组成与工作原理 369

10.7.3　特性分析 370

10.7.4　不同形状的试样可能达到的试验温度 371

10.7.5　法国Odeillo巨型太阳炉简介 373

10.7.6　太阳炉在高温科学研究中的应用特点 374

10.8　太阳能热动力水泵 374

第11章　太阳能温室工程 376

11.1　太阳能温室工程新概念 376

11.2　太阳能植物栽培温室 377

11.2.1　太阳能植物栽培温室工作原理 377

11.2.2　植物栽培温室的分类 377

11.2.3　太阳能植物栽培温室的设计 378

11.2.4　栽培温室应用实例 383

11.3　被动式太阳房 384

11.3.1　几种不同类型的太阳房简介 384

11.3.2　综合气象因素 386

11.3.3　太阳房热工况的设计计算 387

11.3.4　太阳房室内平均温度的预测 389

11.3.5　采暖辅助热量的估算 390

11.3.6　太阳房设计要则 390

11.4　太阳能干燥 392

11.4.1　概述 392

11.4.2　干燥物理与干燥动力学 392

11.4.3　太阳能干燥装置的分类及其工作原理 396

11.4.4　太阳能干燥过程的动态特性 399

11.4.5　影响物料干燥的几个主要因素 402

11.4.6　物料干燥特性实验研究 403

11.4.7　太阳能干燥的应用实例 405

11.5　太阳能蒸馏 406

11.5.1　太阳能蒸馏的意义 406

11.5.2　池式太阳能蒸馏器 407

11.5.3　池式多效复合型太阳能蒸馏器 411

11.5.4　其他不同形式太阳能蒸馏器简介 414

11.6　太阳能沼气池 415

第12章　太阳能热动力发电工程 418

12.1　概述 418

12.2　太阳能热动力发电系统及其分析 421

12.2.1　电站热系统 421

12.2.2　系统分析 421

12.3　太阳能热动力发电站的基本组成 424

12.3.1　聚光集热子系统 424

12.3.2　蓄热子系统 425

12.3.3　辅助能源子系统 426

12.3.4　监控子系统 426

12.3.5　热动力发电子系统 427

12.4　塔式太阳能热动力发电 428

12.4.1　聚光装置 428

12.4.2　集热装置 437

12.4.3　中心接收塔 443

12.4.4　蓄热装置 444

12.4.5　定日镜跟踪系统 444

12.4.6　监控系统 446

12.4.7　聚光集热系统性能的综合分析 447

12.4.8　典型塔式太阳能热动力发电站介绍 449

12.5　槽式太阳能热动力发电 451

12.5.1　聚光集热装置 452

12.5.2　系统及其主要部件的设计研究 458

12.5.3　LUZ公司槽式太阳能热动力发电站介绍 459

12.6　盘式太阳能热动力发电 463

12.6.1　盘式太阳能热动力发电装置的组成与分类 463

12.6.2　旋转抛物面聚光器 464

12.6.3　热动力发电机组 464

12.6.4　典型盘式太阳能热动力发电装置简介 469

12.7　条式太阳能热动力发电 470

12.7.1　电站系统概念设计 471

12.7.2　条形反射式聚光器 471

12.7.3　接收器 472

12.7.4　真空集热管 473

12.8　太阳能烟囱热气流动力发电 475

12.8.1 电站系统的组成和工作原理 475

12.8.2　太阳能集热棚 476

12.8.3　热动力烟囱 480

12.8.4　能量转换 481

12.8.5　典型太阳能烟囱热气流动力发电站简介 483

12.9　太阳池热动力发电 485

12.9.1 电站系统的组成与工作原理 485

12.9.2　工作流体的选择 486

12.9.3　电站热力性能分析 486

12.9.4　参数研究 488

12.9.5　以色列太阳池热动力发电站简介 489

12.10　太阳能热动力发电技术的发展前景 489

12.10.1 不同形式太阳能热动力发电系统的比较 489

12.10.2　发展趋势 491

第13章　太阳能光伏发电工程 493

13.1　概述 493

13.2　太阳能光伏发电系统的组成、分类及其工作原理 494

13.3　太阳能光伏发电系统的总体设计与分析计算 495

13.3.1　太阳辐射资源与环境数据的汇集 495

13.3.2　系统容量的分析计算 496

13.3.3　电气主回路设计 499

13.3.4　站址选择 501

13.3.5　平面布置设计 501

13.3.6　建筑设计 501

13.3.7　安全设计 502

13.4　太阳能光伏发电站主要组成部件的设计与性能分析 502

13.4.1　太阳能电池组件 502

13.4.2　太阳能电池方阵 511

13.4.3　逆变器 512

13.4.4　控制器和系统控制设计 514

13.4.5　蓄电池 516

13.5　独立光伏发电系统 516

13.5.1　系统容量配置设计 517

13.5.2　大型光伏方阵的组建与布置 518

13.5.3　逆变器的选型设计 519

13.5.4　控制器的选型设计 521

13.5.5　失电小时数 522

13.6　并网光伏发电系统 522

13.6.1　并网光伏发电系统的基本工作原理 522

13.6.2　系统的分类 523

13.6.3　电站的组成和并网逆变器 523

13.6.4　典型并网光伏发电站应用实例简介 527

13.7　混合光伏发电系统 528

13.8　微小光伏发电系统 531

13.8.1　系统的组成和系统容量配置设计 531

13.8.2　太阳能电池小组件设计 532

13.8.3　系统控制设计 532

13.8.4　太阳能广告灯箱简介 534

13.9　光伏水泵系统 535

13.9.1　系统的描述 535

13.9.2　系统性能分析 536

13.9.3　不同水泵系统的效益比较 537

13.10　大型光伏电站的电参数不匹配损失 538

13.10.1　概述 538

13.10.2　应用分析 539

13.10.3　电参数不匹配损失的数理统计的计算与分析 540

13.11 太阳能光伏发电系统的Pspice仿真模型 541

13.11.1　Pspice模拟仿真初步 542

13.11.2　太阳能光伏发电系统各主要部件的Pspice模型 545

13.11.3　独立光伏电站Pspice模拟分析程序示例 551

13.12　太阳能光伏发电的评估与发展前景预测 553

13.12.1　太阳能光伏发电系统的评估 553

13.12.2　太阳能光伏发电系统性能预测 554

13.12.3　我国太阳能光伏发电的应用和发展趋势 555

第14章　太阳能生态工程 556

14.1　太阳能生态新概念 557

14.2　太阳能生态住宅的设计与建造 558

14.3　太阳能建筑简介 559

第15章　太阳能工程经济分析 563

15.1　工程经济学的产生和研究内容 563

15.2　太阳能工程经济分析的准则和特点 564

15.3　太阳能工程经济分析方法 565

15.3.1　现值分析 565

15.3.2　投资回收年限 567

15.3.3　太阳能工程经济分析示例 568

附录 570

附录A　以太阳能转换原理为准区划的太阳能利用系统与工作内容汇总（见附图1） 570

附录B　叠层玻璃太阳能平板空气加热器换热模型（见附图2～5） 571

附录C　太阳总辐射度AM1.5G的Pspice网单 572

参考文献 573