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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